Kiselkarbid

Kiselkarbid, en icke-oxidkeramik som är känd för sin hårdhet, styrka och kemiska resistens, används ofta som slipmedel och diamantsimulerande material. Dessutom var denna icke-oxidkeramik det första material som användes för att tillverka lysdioder och detektorer i tidiga radioapparater.

Syntetisk kiselkarbid tillverkas genom att kiseldioxid och kol reagerar i en reaktionsugn vid hög temperatur, vilket ger pellets eller pulverform som slutprodukt.

Egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är en teknisk keram som är känd för sin enastående högtemperaturhållfasthet, oxidationsbeständighet, överlägsna hårdhet och låga specifika vikt, vilket gör den lämplig för komponenter med stora volymer. Vid rumstemperatur bildar den tetraedriska strukturer som består av Si-atomer bundna till fyra C-atomer i fyra hörn; av dess 215 polytyper är endast alfaformen (a-SiC) och b-SiC med kubisk zinkblende-kristallstruktur av tekniskt intresse.

Material med ett brett bandgap gör grafen till ett utmärkt material för gassensorer, medan dess höga värmeledningsförmåga gör att det tål extremt höga temperaturer - vilket gör det perfekt för ugnsapplikationer.

Järnoxider är både slipande och slitstarka, kemiskt inerta mot syror och alkalier och näst efter diamant i hårdhet. På grund av dessa egenskaper används järnoxider i allt från skärande material, ballistiska pansarkomponenter och till och med i flyg- och rymdtillämpningar, därav smeknamnet drakhud.

Syntetisk SiC tillverkas med ren kiselsand och kol från kolkoks som råmaterial. En blandning monteras runt en kolledare i en tegelugn av elektrisk motståndstyp och en elektrisk ström leds genom den; den resulterande kemiska reaktionen producerar SiC med kolmonoxid som biprodukt.

Tillämpningar

Kiselkarbid är ett av de hårdaste ämnen som människan känner till, vilket gör det idealiskt för användning som slitstarka beläggningar i applikationer som skivbromsar och elektriska kontakter. Dessutom ingår kiselkarbidkomponenter i skottsäkra pansar som Dragon Skins (våt-/torrfräst kiselkarbid med whiskerförstärkt aluminiumoxid).

Hårdhet och styrka gör kolstål till ett idealiskt material att använda vid tillverkning av skärverktyg eller andra industriprodukter som kan utsättas för höga temperaturer eller vibrationer, t.ex. skärverktyg. Kolstål är också ett attraktivt halkfritt val för golv- eller trappsteg eller däckfärg - och används ofta som mekaniska tätningskomponenter på pumpar, kompressorer och omrörare som sannolikt kommer att arbeta i krävande miljöer, inklusive mycket korrosiva miljöer.

SiC är normalt en elektrisk isolator i rent tillstånd, men vissa föroreningar kan förändra denna egenskap och omvandla det till ett halvledarmaterial. När aluminium-, bor- och galliumdopningsmedel tillsätts skapar de halvledaregenskaper av P-typ; kväve- och fosfordopningsmedel kan omvandla det till halvledaregenskaper av N-typ. I kombination med metalloxiddielektrikum som DiOXEs kan det också deponeras för Schottky-barriärdioder, bipolära transistorer, MOSFETs som kan hantera höga spänningar men låga påslagningsmotstånd - dessa enheter blir sedan oumbärliga verktyg i olika elektroniska applikationer som kräver snabb drift.

Förberedelser

Många metoder har utvecklats för att producera kiselkarbid. En sådan process, som utvecklades av Edward Goodrich Acheson 1893 och som idag används av många kiselkarbidfabriker över hela världen, kallas Acheson-processen. Den innebär att kiseldioxid blandas med kol i en elektrisk ugn före upphettning. Denna metod är fortfarande utbredd idag och många produktionsanläggningar använder den fortfarande idag för att producera kiselkarbidprodukter av hög kvalitet.

Nyligen utförda arbeten vid University of New Mexico utvecklade en modernare teknik som kallas top-down-metoden, där forskare exfolierade hexagonal kiselkarbid i antingen isopropylalkohol eller N-metyl-2-pyrrolidon innan de bytte bindning från sp3 till sp2, för att isolera monolager av kiselkarbid mycket snabbare och enklare än tidigare metoder som krävde dyr utrustning. Denna top-down-metod ger mycket snabbare isolering av kiselkarbid i ett lager.

Forskargruppen har också undersökt gasfasmetoder för att syntetisera kiselkarbid. Dessa processer kan vara snabba, ge höga utbyten utan att behöva katalysatorer i fast tillstånd och är mer miljövänliga än den traditionella kalcineringsmetoden.

Som en del av dessa gasfasreaktioner testades olika syrebärande organosilanprekursorer såsom tetraetoxysilan och metyltrietoxysilan (MTES), inklusive tetraetoxysilan och MTES. Hydrolys av MTES med fenolharts, etylcellulosa, polyakrylnitril och stärkelse bildade en gel som karboniserades vid 750 grader C för att bilda ett mesoporöst b-SiC katalysatorstödmaterial.

Fastigheter

Kiselkarbid är ett extremt starkt keramiskt material som används inom många områden. Det har hög hållfasthet, hårdhet, låg värmeutvidgningskoefficient och god slitstyrka - och är dessutom beständigt mot termisk chock och kemisk korrosion. Kiselkarbid används inom fordons-, mekanik- och kemiindustrin samt inom miljöskydd, rymdteknik, informationselektronik, energikällor och många andra områden.

SiC är ett halvledarmaterial med brett bandgap (med elektroniska bandgap på mellan 2,4eV för a-SiC och 3,3eV för b-SiC), med utmärkt ledningsförmåga och temperaturstabilitet, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för elektriska komponenter på grund av dess överlägsna tillförlitlighet och effektivitet, särskilt vid applikationer med högre effekt.

Karborundum, en annan tät form av SiC och en av jordens två hårdaste naturliga mineraler efter diamant (9-10 Mohs), har en kovalent kristallstruktur baserad på Si-C-bindningar med tetraeder centrerade kring kisel- eller kolatomer som bildar hexagonala kristallstrukturer som liknar wurtzit; vanligast är a-SiC-polymorfen med hexagonal kristallstruktur medan beta-modifiering med zinkblende-kristallstruktur är mindre populär.

Modern produktion av syntetiskt SiC innebär att pulveriserad sand reagerar med kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer och tryck, följt av sintring för att binda samman kornen till ett exceptionellt hårt och hållbart material. Tillverkare av slipmedel använder vanligtvis reaktionsbunden sinter, medan tillverkare av avancerad elektronik använder Lely-metoden eller kemisk ångdeposition. Arbetstagare som exponeras för slipmedel som tillverkas med någon av dessa processer kan löpa ökad risk för diffus interstitiell lungfibros eller andra lungsjukdomar.