Silisiumkarbid

Silisiumkarbid
Generelle funksjoner
Molekylær eller rå formelSiC
Molekylmasse ( u )40.097
Utseendeluktfritt svart-grønt pulver
CAS-nummer409-21-2
EINECS-nummer206-991-8
PubChem9863
SMIL[C-]#[Si+]
Fysisk-kjemiske egenskaper
Tetthet (g/cm 3 , i cs )3.22
Løselighet i vannuløselig
Smeltepunkt2730 °C (3003 K)
Sikkerhetsinformasjon
Kjemiske faresymboler
Merk følgende
Fraser H315 - 319 - 335
Råd P261 - 305 + 351 + 338 [1]

Silisiumkarbid , noen ganger kalt feil med handelsnavnet karborundum , er et keramisk materiale sammensatt av silisium og karbon bundet sammen, med formelen SiC . Det oppnås ved syntese, men det finnes også i naturen i form av det svært sjeldne moissanitt -mineralet .

Den har en veldig høy hardhet , mellom korund og diamant . Den er derfor klassifisert blant de superharde materialene .

In natura

Moissanitt finnes bare i svært små mengder i enkelte typer meteoritt og i korund- og kimberlittforekomster . Så godt som alt silisiumkarbid som selges i verden, inkludert moissanite-smykker, er syntetisk. Naturlig moissanitt ble først funnet i svært små mengder i 1893 inne i Canyon Diablo -meteoritten i Arizona av Dr. Ferdinand Henri Moissan , derav navnet på materialet.

Moissans oppdagelse, det vil si tilstedeværelsen av SiC i naturen, ble opprinnelig bestridt fordi prøvene kan ha blitt forurenset av silisiumkarbidbladene som allerede var på markedet på det tidspunktet. Analyse av SiC-kornene funnet i Murchison-meteoritten , en karbonholdig kondritt , avslørte et unormalt isotopforhold mellom karbon og silisium, noe som indikerer at meteorittens opprinnelse er utenfor solsystemet. 99 % av disse SiC-kornene har sin opprinnelse nær gruppen av karbonrike stjerner som kalles den asymptotiske gigantiske grenen. SiC finnes ofte i nærheten av disse stjernene, utledet fra deres infrarøde spektre .

Selv om det er svært sjeldent på jorden, er silisiumkarbid veldig vanlig i verdensrommet. Det er en vanlig form for interstellart støv som finnes i nærheten av karbonrike stjerner. Silisiumkarbidet som finnes i verdensrommet og meteoritter er nesten utelukkende i betaform. Videre antas det at den kan danne mantelen til planeter som hovedsakelig består av karbon.

Morfologi

Moissanitt forekommer i flate sekskantede krystaller opp til 5 mm. 74 forskjellige polytyper av silisiumkarbid er kjent, men bare åtte har blitt funnet i naturen så langt (2 H , 3 C , 4 H , 5 H , 6 H , 10 R , 15 R , 33 R ).

Første sammendrag

Materialet ble først produsert av amerikaneren Acheson i 1893 , som utviklet en elektrisk ovn for å produsere SiC, som fortsatt brukes i dag. Han opprettet også Carborundum Company for produksjon av SiC, opprinnelig ment for bruk som slipemiddel i industrielle applikasjoner. I 1900 fusjonerte selskapet med Electric Smelting and Aluminium Company , men akkurat da ble det pålagt av retten å umiddelbart redusere produksjonen av mineraler ved bruk av glødeovnen. Acheson skal ha forsøkt å løse opp karbonet i smeltet korund da han la merke til tilstedeværelsen av veldig harde blå-svarte krystaller, som han mente var en forbindelse av karbon og korund - derav navnet karborundum. Kanskje kalte han materialet "karborundum" også i analogi med korund, et annet veldig hardt stoff (9 på Mohs-skalaen ).

Produksjon

Gitt sjeldenheten til moissanitt i naturen, produseres silisiumkarbid kunstig. Den vanligste bruken er som et slipemiddel . Nylig har den blitt brukt som en halvleder og som en erstatning for diamant i kvalitetssmykker. Den enkleste produksjonsprosessen kombinerer silikasand og granulert koks i en elektrisk ovn med høytemperatur grafittmotstand ( mellom 1600 og 2500 ° C). Materialet som dannes varierer i renhet, avhengig av avstanden fra grafittmotstanden. Nær motstanden er de reneste krystallene som er fargeløse, blekgule eller grønne. Fargen endres fra blå til svart når du beveger deg bort fra motstanden, og disse krystallene er mindre rene. Nitrogen og aluminium er de vanligste urenhetene, og de påvirker den elektriske ledningsevnen til SiC.

Rent silisiumkarbid kan oppnås via den dyrere kjemiske dampavsetningsprosessen (CVD). Større enkeltkrystaller oppnås kommersielt ved den fysiske damptransportmetoden, kjent som den modifiserte Lely-metoden.

Rent silisiumkarbid kan også fremstilles ved termisk dekomponering av en polymer, polymetylsiloksylan, i en inert atmosfære ved lave temperaturer. Sammenlignet med CVD-prosessen er pyrolysemetoden fordelaktig fordi polymeren kan syntetiseres i ulike former før den omdannes til keramisk materiale.

Egenskaper

Silisiumkarbid finnes i minst 70 krystallinske former.

Den vanligste er alfa (ASIC): den dannes ved temperaturer over 2000 ° C og har en sekskantet krystallstruktur (ligner på wurtzite ). Betaformen har en ansiktssentrert kubisk krystallstruktur (lik blende ) og dannes ved temperaturer under 2000 ° C. Strukturen er vist på figuren. Inntil nylig har betaformen hatt få kommersielle bruksområder, selv om det nå er økende interesse for bruken som støtte for heterogene katalysatorer , på grunn av det større overflatearealet med samme vekt sammenlignet med alfaformen.

Dens spesifikke vekt på 3,2 g / cm³ og den høye sublimeringstemperaturen (ca. 2700 ° C) gjør den nyttig for å bygge lagre og ovnsdeler. Silisiumkarbid smelter ikke ved noe kjent trykk. Det er også veldig kjemisk inert. Det er veldig interessant som halvledermateriale : dets høye termiske ledningsevne og høye maksimale strømtetthet gjør det til et av de mest lovende materialene sammenlignet med silisium for enheter med høy effekt. Den har også en sterk kobling til mikrobølger, som sammen med det høye sublimeringspunktet tillater en praktisk bruk for oppvarming og smelting av metaller. SiC har også en svært lav termisk utvidelseskoeffisient .

Ren SiC er fargeløs. Den brune til svarte fargen på industriproduktet er et resultat av jernurenheter . Briljansen til krystallene som bryter ned lyset i regnbuens farger, skyldes selvpassiveringen av materialet som er dekket med et tynt lag SiO2

Applikasjoner

Halvledere

Ren α-SiC er en iboende halvleder med et båndgap på henholdsvis 3,28 eV (4H) og 3,03 eV (6H). For tiden er silisiumkarbid (SiC) mye brukt i halvlederindustrien takket være dets elektriske egenskaper, som skiller det fra silisium for potensielle bruksområder i enheter med høy effekt, høy frekvens og høy temperatur. Strømgrensen for dens diffusjon er gitt av kvaliteten på utgangsmaterialet, eller rettere sagt, på substratene som er behandlet for å komme frem til den endelige enheten. For teknologien til silisiumbaserte halvlederenheter er substrater tilgjengelige, såkalte wafere, med en diameter større enn 12" (30,48 cm), med høy renhet og utmerket krystallografisk kvalitet med nå ubetydelig defekttetthet. wafere med en diameter ikke mer enn 10 cm tilgjengelig; tettheten av defekter ( mikropipe , stablingsfeil , dislokasjon i teknisk sjargong ) er fortsatt for høy til å gjøre enhetene tilgjengelige pålitelige og langvarige. Forskning pågår og i 2007 gjorde Cree tilgjengelig mikrorørdefektfrie silisiumkarbidskiver. Blant annet påvirker kostnadene for substratene den endelige kostnaden for enhver SiC-enhet med mer enn 50 %, mens denne kostnaden for silisium påvirker mindre enn 5 %. Silisiumkarbidsubstratene oppnås ved vekst ved sublimering eller ved epitaksial vekst av HTCVD- typen ( High Temperature Chemical Vapor Deposition ). Epitaksiale lag avsettes av CVD i varmveggsreaktorer i nærvær av gass som inneholder silisium og karbon. Enhetene som for tiden markedsføres er Schottky-dioder , men det er omfattende eksperimentering i den vitenskapelige verden for utvikling av forskjellige MOSFET- er, JFET- er, BJT- er, sensorer av forskjellige typer og andre.

Lynavledere

Den første anvendelsen av SiC var at i lynavledere : kolonner fylt med dette materialet er plassert mellom høyspentlinjene og jord. På denne måten, bare hvis en viss spenningsverdi overskrides (for eksempel i det tilfellet hvor linjen blir truffet av lynet), passeres strømmen slik at den utlades til bakken, og unngår skade på kraftledningen. I dag har den imidlertid i stor grad blitt erstattet av sinkoksid .

Ultrafiolett detektor

Silisiumkarbid brukes også som ultrafiolett detektor . Nikola Tesla , på begynnelsen av 1900-tallet , utførte en serie eksperimenter med karborundum. Elektroluminescensen ble observert av kaptein Joseph Henry Round i 1907 og av OV Losev i Sovjetunionen i 1923.

Strukturelt materiale

På 1980- og 1990 -tallet ble silisiumkarbid studert for bygging av høytemperaturgassturbiner i USA , Japan og Europa . Komponentene i dette materialet var ment å erstatte nikkellegeringer brukt i turbinblader eller dyser. Ingen av disse prosjektene kom imidlertid i produksjon på grunn av skjørheten.

Astronomi

Hardheten og stivheten til SiC ville gjøre den ideell for å bygge et astronomisk speil , men vanskelighetene med konstruksjon og høye priser gjør det ikke lett oppnåelig. Noen astronomiske speil er produsert for ESA og er beregnet på GAIA -prosjektet startet i 2013. Det samme organet forventes å lansere EChO i 2024, hvor SiC skal brukes til konstruksjonen av primærspeilet. SiC ble brukt som et strukturelt materiale for optikken til teleskopet montert på New Horizons -sonden

Slipemidler

Silisiumkarbid er mye brukt som materiale for behandling av moderne lapidarier , på grunn av dets lange levetid. I produksjonssektoren brukes den på grunn av sin hardhet i abrasive prosesseringsprosesser som knusing og polering, spesielt tilfeller av sliping av metallstykker og i vannstråleskjæring .

Silisiumkarbidpartikler legges lagvis på papir for å få sandpapiret og grepet på skateboardtapen.

Dieselpartikkelfilter

SiC brukes gjennom en sintringsprosess for dieselpartikkelfiltre .

Keramisk membran

Silisiumkarbid brukes til produksjon av keramiske membraner for industrielle prosesser.

Skjæreverktøy

I 1982 , ved Oak Ridge National Laboratories , oppdaget George Wei, Terry Tiegs og Paolo Becher en forbindelse av aluminiumoksyd og silisiumkarbidfilamenter. Dette materialet viste seg å være usedvanlig sterkt. Utviklingen av dette komposittproduktet tok bare tre år. I 1985 ble de første kommersielle skjæreverktøyene laget av dette materialet introdusert av Advanced Composite Materials Corporation (ACMC) og Greenleaf Corporation.

Varmeelement

Referanser til SiC-varmeelementer har eksistert siden begynnelsen av det tjuende århundre da de ble produsert av Achesons Carborundum Co i USA og av EKL i Berlin . Silisiumkarbid tilbyr høyere driftstemperaturer enn metalliske elementer, selv om driftstemperaturen i utgangspunktet ble begrenset av vannkjøleterminalene, som også førte den elektriske strømmen til den varme sonen til silisiumkarbiden. Deretter ble ikke terminalene lenger forbundet med den varme sonen, men støttet av vekter eller fjærer. Driftstemperatur og effektivitet ble ytterligere økt ved bruk av lavere motstander skilt fra varmeelementet, vanligvis større i diameter enn den varme sonen, holdt på plass kun av mekanisk trykk. Deretter ble det også oppnådd motstander med samme diameter. Fra 1960 og utover ble de produsert i ett stykke, med kalde terminaler skapt ved å fylle porevolumet med en silisiumlegering. En annen teknikk for å produsere et enkelt stykke er å kutte en times spiral til et homogent rør der seksjonen som skal varmes opp er den ønskede. Videre utvikling har ført til større motstand mot oksidasjon og kjemisk angrep gjennom introduksjon av andre grunnstoffer. SiC-elementer brukes i dag i smelting av ikke-jernholdige metaller, i varmebehandling av metaller og glass, i produksjon av keramiske materialer, i elektroniske komponenter, etc.

Applikasjoner i kjernefysisk sektor

SiC brukes ofte som et av lagene for belegg av høytemperatur kjernebrenselelementer , i gasskjølte reaktorer eller i høytemperaturreaktorer.

Innen kjernefysisk fusjon pågår studier for bruk av silisiumkarbidkompositter (SiC-fibre i SiC-matrise) som strukturmateriale for enkelte DEMO - reaktorprosjekter . I andre prosjekter brukes SiCf / SiC som en elektrisk barriere mellom det flytende litium-blyet (Pb17Li) og den strukturelle delen av teppet (i ferritisk-martensittisk stål). Den sterke forventede fordelen med å bruke SiCf / SiC som et strukturelt materiale kommer fra det faktum at aktiveringsproduktene til dette materialet forfaller veldig raskt, slik at strukturen blir "hands on" i løpet av ca. 100 år.

Smykker

Silisiumkarbid brukes også som en perle i smykker. Moissanite ligner på diamant i flere viktige henseender: den er gjennomsiktig og hard (9, selv om et amerikansk patent sier at den er 8,5-9,0, på Mohs-skalaen sammenlignet med 10 for diamant), med en brytningsindeks på mellom 2,65 og 2,69 ( sammenlignet med 2,42 for diamant). Moissanite er litt hardere enn vanlig zirkon . I motsetning til diamant er moissanitt sterkt dobbeltbrytende . Denne kvaliteten er brukbar i noen optiske applikasjoner, men ikke for edelstener. Av denne grunn kuttes juvelene langs den optiske aksen til den dobbeltbrytende krystallen for å minimere effektene. Den er lettere (tetthet 3,22 vs 3,56), og mye mer varmebestandig. Resultatet er en stein med større glans, med klare fasetter og god motstand. Moissanittsteinene kan plasseres direkte i ringformene; faktisk, i motsetning til diamant, som brenner ved 800 ° C, forblir moissanitt intakt opp til temperaturer på 1800 ° C, omtrent det dobbelte av smeltepunktet til 18k gull .

Moissanite er en av de mest populære erstatningene for diamant, og kan lett være misvisende, også på grunn av dens varmeledningsevne som er nærmest diamantens av alle erstatningene. Den kan skilles fra en diamant ved sin dobbeltbrytning og en litt grønn, gul, grå farge og ved sin fluorescens under ultrafiolett lys .

Tynnfilamentpyrometri

Det er en veldig spesiell og effektiv teknikk for å måle temperaturen til en gass ved bruk av svært tynne SiC-filamenter (15 mikrometer). I praksis er lysutslippet fra glødetråden korrelert med temperaturen på gassen.

Stålindustri

SiC løses opp i masovnen og brukes til stålfremstilling som brensel og gir energien som øker forholdet mellom produsert stål og skrap. Den kan også brukes til å heve maksimale temperaturer og regulere karboninnholdet. 90 % av silisiumkarbid brukes av stålindustrien for å redusere oksygenet i øsen , som en kilde til silisium og karbon alltid i øsen, som en antioksidant inne i ovnen og som tilsetning i syntetisk slagg. Det gjør det mulig å oppnå et stål med høy renhet. Silisiumkarbid brukt som tilsetning i stålproduksjon eller som drivstoff produseres i granulat og markedsføres i poser. Mellom 50 % og 65 % av silisiumkarbid brukes i stålindustrien til bearbeiding av stål og jernskrot.

Produksjon av våpen og rustninger

Som andre keramiske materialer med høy hardhet (dvs. alumina og borkarbid ), brukes silisiumkarbid til å produsere ballistiske våpen og rustninger . Siden den er lett og meget motstandsdyktig, brukes den som en jakke for noen kuler og settes inn i form av små plater inne i de skuddsikre vestene for militær bruk.

Catalyst Support

Den naturlige motstanden mot oksidasjon av silisiumkarbid, samt oppdagelsen av nye måter å syntetisere overflaten på i betaform, gjør den nyttig som støtte for heterogene katalysatorer . Beta-formen har allerede blitt brukt i årevis som støtte for katalysatorene som brukes i oksidasjon av butaner for å gi for eksempel maleinsyreanhydrid .

Bilindustrien

Fremgang i bremsesystemsektoren har gitt betydelige innovasjoner. Et betydelig sprang fremover var introduksjonen av karbonkeramiske bremseskiver .

Den svært høye kostnaden, rundt 14 000 euro, for et komplett bremsesystem i komposittmateriale, kun forsvarlig på viktige biler, skyldes kompleksiteten i produksjonsprosessen til skivene, som varer mer enn en dag; på den annen side er noen timer nok til å lage de tradisjonelle grå støpejernsskivene. Denne typen bremser er kun tilgjengelig på forespørsel på Ferrari Enzo og F430 , Porsche 911 Turbo , Audi R8 og Lamborghini Murciélago . I 2006 utviklet Audi og tyske SGL Carbon et bremsesystem med karbonskiver til rimeligere kostnader; det nåværende materialet som brukes er en blanding som fortsatt er i semi-prototypestadiet og derfor utsatt for ytterligere forbedringer. Audis mål er å produsere et karbonkeramisk bremsesystem med en totalkostnad på rundt 2000 euro. [2] Blant de mest interessante karbonkeramiske bremsesystemene som for tiden er i produksjon, kan vi nevne Porsche Ceramic Composite Brake (PCCB) tatt i bruk av Porsche 911 Turbo og Brembo CCM fra Ferrari Enzo.

Karbonskivene på landeveisbiler ligner veldig på Formel 1 og representerer en direkte utvikling, men på noen måter er de enda mer spesielle. F1 bremseskiver kan ikke finnes på produksjonsbiler fordi de er preget av redusert effektivitet ved lave temperaturer; dette bestemmer en begrenset bremseevne inntil en temperatur på ca. 200 °C er nådd. Ved høye temperaturer, derimot, garanterer racingskiver eksepsjonell ytelse, noe som gjør at friksjonskoeffisienter i størrelsesorden 0,68 kan nås, sammenlignet med verdier på 0,35 for landeveisbiler. Den dårlige evnen til racingbremser for å garantere sikker bremsing ved temperaturer under 200 ° C (normal tilstand i trafikken) krevde forbedringer for å tillate bruk på veien.
Karbonbremsene til landeveisbiler tillater en drastisk reduksjon av bremse- og stopplengden til kjøretøyet på noen få meter selv ved hastigheter på 200 kilometer i timen, de opprettholder termisk stabilitet og et konstant trykkpunkt slik at sjåføren vet nøyaktig hvordan de reagerer til et visst pedaltrykk, har slitasjemotstand og mye lengre levetid enn tradisjonelle bremser.

Karbonkeramiske bremseskiver har en karbonfiberstruktur oppnådd med spesielle teknologiske prosesser, deretter utsatt for behandlinger med silisium ved svært høye temperaturer. Konstruksjonen av en karbonbremseskive oppnås ved å utsette en blanding av karbonfibre, passende arrangert og orientert, for sterke trykk inne i en form (trykk- og temperaturverdiene kontrolleres). På slutten av denne operasjonen oppnås en detalj som allerede er utstyrt med de radielle kanalene som brukes for varmeavledning (disse er selvventilerende skiver). Råskiven blir deretter utsatt for en karboniseringsprosess i en ovn ved ca. 1000 ° C, i nærvær av nitrogen og gjennomgår en rekke prosesser som transformerer den til et ferdig produkt. De ulike konstruksjonsstadiene av skiven inkluderer også boring av bremseflaten med radiell design. Den perforerte friksjonsoverflaten gir utmerket progressivitet under våte forhold (hullene i skiven sikrer rask eliminering av vanndamp). Sammenlignet med skiver for Formel 1-biler, blir veiskiver ytterligere utsatt for påføring av silisium ved oppvarming ved en temperatur på 1700 ° C; ved denne temperaturen blir silisiumet flytende og absorberes av karbonskiven. Silisiumbadet gir karbonskiven egenskaper som gjør den effektiv selv ved lave temperaturer. Etter denne fasen er skiven praktisk talt ferdig og er utstyrt med stålnavet som gjør at den kan festes til hjulet.

Bremseskivene i karbon og silisium har mye høyere hardhetsgrad, større evne til å arbeide ved høye temperaturer og tåle termiske overbelastninger, sammenlignet med vanlige grå støpejernsskiver. Minimum termisk ekspansjon opp til 800 ° C unngår utbruddet av deformasjoner i tilfelle sterke påkjenninger; den grå støpejernsskiven har derimot en tendens til å gjennomgå termisk ekspansjon med påfølgende overflatebølger. I denne situasjonen har ikke klossene lenger en korrekt adhesjon til skiven og det oppstår et pulseringsfenomen i systemet som forårsaker vibrasjoner og en reduksjon i bremseevne. De keramiske bremseskivene sørger også for korrosjonsbeskyttelse. Responsen til de keramiske bremsene er veldig rask og presis både på tørre og våte overflater, og dette bestemmer en reduksjon av kraften som skal påføres bremsepedalen. Den viktigste fordelen med et karbon keramisk bremsesystem er representert av den ekstremt lave vekten til skivene som, med samme dimensjoner, er omtrent 50 % av den til vanlige støpejernsskiver. Reduksjonen i vekt, på grunn av den lavere tettheten til det keramiske materialet, har en positiv effekt på kjøreytelsen, drivstofforbruket og bestemmer fremfor alt en reduksjon i bilens uavfjærede masse . I Supercars oppnås en betydelig reduksjon i massen til bremsene til tross for at diameteren på de keramiske skivene er større enn den til støpejernsskivene (som går fra 330 mm til 350–380 mm). Andre grunnleggende egenskaper ved karbon-keramiske bremser er motstand mot falming, svært høy bremsekapasitet og praktisk talt ubegrenset varighet (estimert til rundt 300 000 km). Det karbonkeramiske bremsesystemet leveres som ekstrautstyr og kan også monteres etter kjøp av bilen, og erstatte skiver, bremsekalipere og klosser.

De monoblokk bremsekaliprene er laget av aluminium ; seks-stempel kalipere brukes foran, mens fire-stempel kalipere brukes bak. Porsche har også brukt dette materialet til konstruksjonen av trippelskiveclutchen til 911 turbo, og garanterer dermed alltid svært høy ytelse selv etter lang bruk av girkassen på banen.

Massekultur

Merknader

  1. ^ faktaark om silisiumkarbid på IFA-GESTIS Arkivert 16. oktober 2019 på Internet Archive .
  2. ^ Karbon keramiske bremseskiver , på virtualcar.it . Hentet 27. mai 2011 (arkivert fra originalen 21. januar 2012) .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker