سیلیکون کارباید چیست و چه ویژگی های کاربردی دارد؟

سیلیکون کارباید که با نماد شیمیایی SiC نشان داده می شود یک ماده معدنی جامد بلوری است. از این ترکیب در صنایع به عنوان نیمه هادی و سرامیک استفاده می شود که معمولاً به آن carborundum گفته می شود.

سیلیکون کارباید به طور طبیعی در یک ماده معدنی بسیار کمیاب به نام مویسانیت وجود دارد. کاربیدهای سیلیکون خالص به صورت بلورهای بی رنگ و شفاف ظاهر می شوند. وقتی ناخالصی هایی مانند نیتروژن یا آلومینیوم به آنها اضافه می شوند ، بلورهای سیلیسیم کاربید بسته به سطح ناخالصی سبز یا آبی به نظر می رسند.

کاربید سیلیکون بیشتر به دلیل سختی و مقاومت بالایی آن مورد استفاده قرار می گیرد ، اگرچه ویژگی های ترکیبی سرامیکی و نیمه هادی، آن را برای ساخت دستگاه های واکنش سریع ، ولتاژ بالا و دمای بالا  به یک گزینه بسیارعالی تبدیل می کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

سیلیکون کارباید چیست؟

سیلیکون کاربید که با نام Carborundum نیز شناخته می شود ، ترکیبی از سیلیکون و کربن است. کاربید سیلیکون یک ماده نیمه هادی است که به عنوان ماده ای در حال ظهور برای ساخت  دستگاه های نیمه هادی استفاده می شود. این ترکیب توسط ادوارد آچسون در سال ۱۸۹۱ کشف شد و در واقع از مهمترین مواد سرامیکی صنعتی کشف شده است و نقش اصلی را در انقلاب صنعتی ایفا کرده است و هنوز هم به عنوان ماده افزودنی برای مواد ساینده و تولید فولاد و سرامیک ساختاری به طور گسترده ای استفاده می شود.

کشف سیلیکون کارباید

دکتر ادوارد گودریچ آچسون دانشمندی بود که زمانی کنار توماس ادیسون کار می کرد. او ابتدا تلاش می کرد الماس مصنوعی بسازد ولی به طور اتفاقی سیلیکون کاربید را سنتز کرد. از لحاظ تئوری می توان الماس ها را در آزمایشگاه تولید کرد، بنابراین او تصمیم گرفت با استفاده از مواد بر پایه کربن الماس را سنتز کند. او در آزمایش خود فلز سرب را از یک دینام به یک ظرف لوله کشی متصل کرد که پر از خاک رس و کک پودر شده بود.

هنگامی که این مخلوط در معرض دمای بالا قرار گرفت هیچ گونه الماسی تولید نشد اما متوجه لکه های روشن در انتهای سرب شد. سرب را برداشت و آن را روی یک صفحه شیشه ای کشید و آن ماده مانند الماس شیشه را برش داد. آنچه که او موفق به ساخت آن شد اولین ماده ساخت دست بشر بود که به اندازه کافی سخت بود که بتواند شیشه را برش دهد.

او همچنین هنگامی که بلورهای سیاه رنگ آبی را کشف کرد، فکر می کرد ترکیبی از کوراندوم و کربن است ، کربن را در کورنوم مذاب یا آلومینا حل می کرد ، به همین دلیل این ماده را carborundum نامید. اگرچه اولین استفاده از این ترکیب به عنوان ساینده بود اما از آن زمان بعد در برنامه های الکترونیکی و بسیاری از مصارف مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد.

ساختار سیلیکون کارباید

سیلیکون کارباید در یک ساختار بسته بندی شده با اتصالات نزدیک بهم قرار دارد. اتم ها در این ساختار به گونه ای مرتب شده اند که دو چهار ضلعی حاوی چهار اتم کربن و چهار سیلیکون به یک اتم مرکزی Si و C متصل می شوند. این  چهار ضلعی ها از گوشه های خود به یکدیگر متصل شده و برای ایجاد ساختارهای قطبی روی هم قرار گرفته اند.

واحدهای چهار ضلعی متصل بهم در این ترکیب ساختارهای قطبی به نام Polytypes را تشکیل می دهند.

 

در واقع سیلیکون کاربید از عناصر سبک ، سیلیکون (Si ) و کربن (C ) تشکیل شده است. بلوک اصلی سازنده آن کریستالی از چهار اتم کربن است که یک چهار ضلعی تشکیل می دهد و با پیوند کووالانسی به یک اتم سیلیکون در مرکز متصل می شود. SiC همچنین یک چند شکلی را به نمایش می گذارد زیرا در فازهای مختلف و ساختارهای بلوری وجود دارد.

روش تولید سیلیکون کارباید

همانطور که گفتیم این ترکیب در ماده معدنی موسانیت وجود دارد  اما بندرت در طبیعت یافت می شود. بنابراین ، به روش مصنوعی توسط یک  تکنیک سنتتیک به نام روش Acheson تولید می شود که به نام مخترع آن ادوارد جی آچسون نامگذاری شده است. در این فرآیند سیلیس خالص (SiO_۲ ) یا ماسه کوارتز و کک نفتی ریز آسیاب شده (کربن) در کوره مقاومتی الکتریکی مخلوط شده و تا دمای بالا در حدود ۱۷۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتی گراد گرم می شوند. در اینجا واکنش اصلی شیمیایی منجر به تشکیل -SiC نشان داده شده است:

سیلیکون کارباید یک شمش استوانه ای در اطراف هسته ایجاد می کند و لایه های ɑ-SiC ، β-SiC و یک ماده غیر واکنشی را در خارج تشکیل می دهد. ɑ-SiC بالاترین گرید با ساختار بلوری درشت است و β-SiC گرید متالورژی است. بر اساس کیفیت مواد اولیه ، SiC می تواند به صورت سبز یا سیاه تولید شود. سپس شمش های SiC برای کاربرد های دیگر فرآوری می شوند.

به طور معمول ، سیلیکون کارباید با استفاده از فرآیند Acheson تولید می شود که شامل گرم کردن ماسه سیلیس و کربن تا دمای بالا در کوره گرافیت Acheson است. این ترکیب می تواند به صورت پودر ریز یا توده پیوندی تشکیل شود که قبل از استفاده به عنوان ماده اولیه پودر ، باید خرد و آسیاب شود. هنگامی که سیلیکون کاربید به صورت پودر در می آید ، می توان دانه های ترکیب را از طریق پخت بهم پیوند داد و یک سرامیک مهندسی بسیار مفید تشکیل داد که در صنایع تولیدی کاربردهای گسترده ای دارد.

خصوصیات کلیدی سیلیکون کارباید

ضریب شکست سیلیکون کارباید از الماس بیشتر است و دارای رسانایی گرمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این ترکیب با خواص می تواند در برابر شوک حرارتی مقاومت کرده و خواص برجسته ای ایجاد می کند که برای بسیاری از صنایع مفید است.

همچنین یک نیمه هادی است و به لطف خصوصیات الکتریکی خود طیف وسیعی از کاربردها را به خود اختصاص می دهد. همچنین به دلیل سختی بسیار زیاد شناخته شده و مقاومت بالا در برابر خوردگی بسیار کاربردهای بسیار گسترده ای دارد.

کاربردهای عمده سیلیکون کارباید

سیلیکون کارباید کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارد. سختی فیزیکی آن را برای استفاده در فرایندهای ماشینکاری ساینده مانند سنگ زنی ، تراش ، انفجار شن و برش جت آب ایده آل می کند.

مقاومت این ماده در برابر دمای بسیار بالا بدون شکستن و تحریف آن را به ماده ای مناسب برای ساخت دیسک های ترمز سرامیکی اتومبیل های اسپرت تبدیل کرده است. این ترکیب همچنین در جلیقه های ضد گلوله و به عنوان یک ماده مهر و موم برای عایق کردم شافت پمپ استفاده می شود که با سرعت زیاد کار می کند. هدایت گرمایی بالای سیلیکون کارباید مهمترین مزیتی است که این ماده را قادر می سازد گرمای اصطکاکی تولید شده در یک رابط مالشی را از بین ببرد.

سختی سطحی بالای این ماده منجر به استفاده از آن در بسیاری از کاربردهای مهندسی می شود که به درجه بالایی از مقاومت در برابر سایش در برابر لغزش ، فرسایش و خوردگی نیاز است. از این خواص می توان در اجزای مورد استفاده در پمپ ها یا به عنوان مثال دریچه هایی کاربردی در میدان نفتی که در آن اجزای فلزی متداول میزان سایش بیش از حد را نشان می دهند استفاده کرد.

جالب است بدانید:

خصوصیات الکتریکی منحصر به فرد این ترکیب به عنوان یک نیمه هادی آن را برای ساخت دیودهای ساطع کننده نور با ولتاژ بالا ، MOSFET ها و تریستورها برای سوئیچینگ قدرت بالا ایده آل می کند.

ضریب انبساط حرارتی کم ، سختی بالا و رسانایی گرمایی زیاد این ماده ، آن را به یک ماده آینه ای ایده آل برای تلسکوپ های نجومی تبدیل کرده است. الیاف سیلیکون کارباید ، معروف به رشته برای اندازه گیری درجه حرارت گاز در یک روش نوری به نام پیرومتری رشته نازک استفاده می شود.

این ماده همچنین در عناصر گرمایشی که نیاز به دمای بسیار بالا است ، استفاده می شود. حتی در انرژی هسته ای برای تأمین پشتیبانی ساختاری در راکتورهای خنک کننده گازی با درجه حرارت بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع سیلیکون کارباید

برای استفاده در کاربردهای مهندسی بازرگانی محصولات سیلیکون کارباید به سه شکل تولید می شوند، که عبارتند از:

• سیلیکون کارباید متخلخل (SSC)
• کاربید سیلیسیم پیوندی با نیترید (NBSC )
•  سیلیکون کارباید واکنشی (RBSC)

سایر تغییرات این ترکیب شامل سیلیکون کاربید پیوندی رس و سیلیکون کاربید پیوند SiAlON است. همچنین بخار شیمیایی سیلیکون کاربید رسوب یافته به نام CVD Silicon Carbide وجود دارد که یک شکل کاملاً خالص این ترکیب می باشد.

ویژگی های کاربردی سیلیکون کارباید

سیلیکون کارباید دارای خواص بسیار زیادی می باشد که آن را به یک ماده محبوب در صنعت تبدیل کرده است بعضی از خواص ویژه آن عبارتند از:

سختی بالا

سیلیکون کارباید دارای درجه سختی ۹ موهس است و آن را به سخت ترین ماده موجود در کنار کاربید بور (۹.۵) و الماس (۱۰) تبدیل می کند. همین خاصیت ظاهری است که SiC را به گزینه ای عالی برای آب بندی مکانیکی ، یاتاقان ها و ابزارهای برش تبدیل می کند.

مقاومت در برابر دمای بالا

مقاومت سیلیکون کاربید در برابر درجه حرارت بالا و شوک حرارتی خاصیتی است که اجازه می دهد SiC در ساخت آجرهای آتش نشانی و سایر مواد نسوز استفاده شود. تجزیه سیلیکون کاربید از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد شروع می شود.

رسانایی

اگر SiC خالص شود ،  از خود رفتار عایق الکتریکی را نشان می دهد . با این حال ، با کنترل ناخالصی ها ، کاربیدهای سیلیسیم می توانند خصوصیات الکتریکی نیمه هادی را نشان دهند. به عنوان مثال ، با مقادیر مختلف آلومینیوم با دوپینگ ، یک نیمه هادی نوع p تولید می شود. به طور معمول گرید صنعتی این ماده دارای خلوص حدود ۹۸ تا ۹۹.۵٪ است. ناخالصی های معمول موجود شامل آلومینیوم ، آهن ، اکسیژن و کربن آزاد می باشد.

پایداری شیمیایی

سیلیکون کارباید یک ماده پایدار و از نظر شیمیایی خنثی با مقاومت بالا در برابر خوردگی است حتی در معرض یا جوش آمدن در اسیدها (اسید کلریدریک ، سولفوریک یا هیدروفلوریک اسید) یا بازها (هیدروکسیدهای سدیم غلیظ) هیچ واکنشی از خود نشان نمی دهد. تحقیقات نشان داده که در کلر واکنش نشان می دهد ، اما فقط در دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد و یا بالاتر امکان پذیر است. سیلیکون کارباید در درجه حرارت حدود ۸۵۰ درجه سانتی گراد باشد در هوا واکنش اکسیداسیون را شروع می کند.

کاربردهای سیلیکون کارباید در صنایع

با خواص عالی که سیلیکون کاربید دارد یک گزینه امیدوار کننده برای کاربردهای با درجه حرارت بالا و مقاوم در برابر سایش است که این خواص در صنعت بسیار مهم می باشد

مواد ساینده

پودرهای سیلیکون کارباید برای فرآیندهای ماشینکاری ساینده مانند سنگ زنی ، سندبلاست و برش جت آب استفاده می شود. SiC را می توان در کاغذ ، پارچه یا چوب ورقه ورقه کرد تا گیر اصطکاکی تولید کند. همچنین می تواند برای شکل دادن ، برش دادن و پرداخت مواد دیگر استفاده شود.

سنسور گاز در دمای بالا

از سیلیکون کارباید به عنوان وسیله سنجش در تولید مواد شیمیایی و در صنایع آزمایش توربین یا موتور برای تشخیص گازهای قابل اشتعال و قابل احتراق در محیط های سخت ، دمای بالا و خورنده استفاده می شود.

الکترونیک

کاربیدهای سیلیکون به دلیل مقاومت در برابر ولتاژ بالا در بسیاری از اجزاء مدار به عنوان نیمه هادی استفاده می شوند. مقاومت ولتاژ SiC ده برابر بیشتر از سیلیکون معمولی است و حتی عملکرد بهتری نسبت به نیترید گالیم در سیستم های بیش از ۱۰۰۰ ولت دارد. به همین ترتیب این ماده در توسعه وسایل نقلیه الکتریکی ، اینورترهای انرژی خورشیدی و سیستم های حسگر بسیار ارزشمند است.

ماشینکاری سیلیکون کارباید

در تمام برنامه های ذکر شده در بالا ، در مواردی که به اجزای مهندسی با دقت بالا نیاز است ، تشخیص مشکلات ماشینکاری سیلیکون کارباید مهم است. این ترکیب با وجود سختی بالایی که از خود نشان می دهد ماده ای نسبتاً شکننده است و فقط با استفاده از تکنیک های سنگ زنی الماس قابل تراشکاری است.

بنابراین باید یک اپراتور ماهر و با تجربه عملیات ماشینکاری را انجام دهد زیرا روشهای نادرست می توانند باعث ایجاد آسیب در سطح زیرین و ایجاد ریز ترک هایی شوند که ممکن است منجر به خرابی زودرس شود زیرا اجزا تحت فشارهای عملیاتی زیاد قرار می گیرند.