Kiselkarbid
 En laboratorieodlad syntetisk monokristallnamn
|
|
| SiC | |
|---|---|
|
Föredraget IUPAC-namn
Kiselkarbid |
|
| Andra namn Carborundum Moissanite |
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.006.357 |
| EG-nummer |
|
| 13642 | |
| Maska | Kisel+karbid |
|
PubChem CID
|
|
| RTECS-nummer |
|
| UNII | |
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C Si | |
| Molar massa | 40,096 g·mol -1 |
| Utseende | Gula till gröna till blåsvarta, iriserande kristaller |
| Densitet | 3,16 g⋅cm −3 (hex.) |
| Smältpunkt | 2 830 °C (5 130 °F; 3 100 K) (sönderdelas) |
| Löslighet | Olösligt i vatten, lösligt i smält alkali och smält järn |
| Elektronrörlighet | ~900 cm 2 /(V⋅s) (alla polytyper) |
| −12,8 × 10 −6 cm 3 /mol | |
|
Brytningsindex ( n D )
|
2,55 (infraröd; alla polytyper) |
| Faror | |
| GHS- märkning :fibrer | |
|
|
| Fara | |
| H350i | |
| P201 , P202 , P260 , P261 , P264 , P270 , P271 , P280 , P281 , P302+P352 , P304+P340 , P305+P351+P338, P308, P308, P1308, P1308, P1308 , P1308 , P308 , P13 332 + P313 , P337 + P313 , P362 , P403+P233 , P405 , P501 | |
| NFPA 704 (branddiamant) | |
| NIOSH (USA:s hälsoexponeringsgränser): | |
|
PEL (tillåtet)
|
TWA 15 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.) |
|
REL (rekommenderas)
|
TWA 10 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.) |
|
IDLH (Omedelbar fara)
|
ND |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Kiselkarbid ( SiC ˌkɑːrbəˈrʌndəm även ) . / ) , är en hårdkemisk förening som och , känd som karborundum ( / innehåller kisel kol En halvledare , den förekommer i naturen som det extremt sällsynta mineralet moissanite , men har massproducerats som ett pulver och kristall sedan 1893 för användning som slipmedel . Korn av kiselkarbid kan bindas samman genom sintring för att bilda mycket hård keramik som används ofta i applikationer som kräver hög uthållighet, såsom bilbromsar, bilkopplingar och keramiska plattor i skottsäkra västar . Stora enkristaller av kiselkarbid kan odlas med Lely-metoden och de kan skäras till ädelstenar som kallas syntetisk moissanite.
Elektroniska tillämpningar av kiselkarbid såsom lysdioder (LED) och detektorer i tidiga radioapparater demonstrerades först runt 1907. SiC används i halvledarelektronikenheter som arbetar vid höga temperaturer eller höga spänningar, eller både och.
Naturlig förekomst
Naturligt förekommande moissanite finns i endast minimala mängder i vissa typer av meteoriter , korundavlagringar och kimberlit . Praktiskt taget all kiselkarbid som säljs i världen, inklusive moissanite juveler, är syntetisk .
Naturlig moissanite hittades först 1893 som en liten komponent av Canyon Diablo-meteoriten i Arizona av Dr Ferdinand Henri Moissan , efter vilken materialet döptes efter 1905. Moissans upptäckt av naturligt förekommande SiC var initialt omtvistad eftersom hans prov kan ha varit förorenat av kiselkarbidsågblad som redan fanns på marknaden då.
Även om det är sällsynt på jorden, är kiselkarbid anmärkningsvärt vanligt i rymden. Det är en vanlig form av stjärndamm som finns runt kolrika stjärnor , och exempel på detta stjärnstoft har hittats i orörda skick i primitiva (oförändrade) meteoriter. Kiselkarbiden som finns i rymden och i meteoriter är nästan uteslutande beta-polymorfen . Analys av SiC-korn som finns i Murchison-meteoriten , en kolhaltig kondritmeteorit , har avslöjat onormala isotopförhållanden mellan kol och kisel, vilket indikerar att dessa korn har sitt ursprung utanför solsystemet.
Historia
Tidiga experiment
Icke-systematiska, mindre erkända och ofta overifierade synteser av kiselkarbid inkluderar:
- César-Mansuète Despretz för en elektrisk ström genom en kolstav inbäddad i sand (1849)
- Robert Sydney Marsdens upplösning av kiseldioxid i smält silver i en grafitdegel (1881)
- Paul Schuetzenbergers uppvärmning av en blandning av kisel och kiseldioxid i en grafitdegel (1881)
- Albert Colsons uppvärmning av kisel under en ström av eten (1882).
Storskalig produktion
Storskalig produktion krediteras Edward Goodrich Acheson 1890. Acheson försökte förbereda konstgjorda diamanter när han värmde en blandning av lera (aluminiumsilikat) och pulveriserad koks (kol) i en järnskål. Han kallade de blå kristallerna som bildade karborundum , och trodde att det var en ny förening av kol och aluminium, liknande korund . Moissan syntetiserade också SiC på flera sätt, inklusive upplösning av kol i smält kisel, smältning av en blandning av kalciumkarbid och kiseldioxid och genom att reducera kiseldioxid med kol i en elektrisk ugn.
Acheson patenterade metoden för att tillverka kiselkarbidpulver den 28 februari 1893. Acheson utvecklade också den elektriska batchugnen som SiC fortfarande tillverkas av idag och bildade Carborundum Company för att tillverka bulk SiC, initialt för användning som slipmedel. År 1900 gjorde företaget upp med Electric Smelting and Aluminium Company när en domares beslut gav "brett prioritet" till dess grundare "för att reducera malmer och andra ämnen genom glödlampsmetoden". Det sägs att Acheson försökte lösa upp kol i smält korund ( aluminiumoxid ) och upptäckte närvaron av hårda, blåsvarta kristaller som han trodde var en förening av kol och korund: därav karborundum. Det kan vara så att han kallade materialet "karborundum" i analogi med korund, vilket är ett annat mycket hårt ämne (9 på Mohs-skalan ).
Den första användningen av SiC var som ett slipmedel. Därefter följde elektroniska ansökningar. I början av 1900-talet användes kiselkarbid som detektor i de första radioapparaterna. 1907 Henry Joseph Round den första lysdioden genom att applicera en spänning på en SiC-kristall och observera gul, grön och orange emission vid katoden. Effekten återupptäcktes senare av OV Losev i Sovjetunionen 1923.
Produktion
Eftersom naturlig moissanite är extremt sällsynt är det mesta av kiselkarbid syntetisk. Kiselkarbid används som slipmedel, liksom en halvledare och diamantsimulator av ädelstenskvalitet. Den enklaste processen att tillverka kiselkarbid är att kombinera kiseldioxidsand och kol i en Acheson grafit elektrisk motståndsugn vid en hög temperatur, mellan 1 600 °C (2 910 °F) och 2 500 °C (4 530 °F) . Fina SiO 2 -partiklar i växtmaterial (t.ex. risskal) kan omvandlas till SiC genom att värma upp överskottet av kol från det organiska materialet. Kiselångan , som är en biprodukt från framställning av kiselmetall och ferrokisellegeringar, kan också omvandlas till SiC genom uppvärmning med grafit vid 1 500 °C (2 730 °F) .
Materialet som bildas i Acheson-ugnen varierar i renhet, beroende på dess avstånd från grafitmotståndets värmekälla . Färglösa, ljusgula och gröna kristaller har den högsta renheten och finns närmast resistorn. Färgen ändras till blått och svart på större avstånd från motståndet, och dessa mörkare kristaller är mindre rena. Kväve och aluminium är vanliga föroreningar, och de påverkar den elektriska ledningsförmågan hos SiC.
Ren kiselkarbid kan framställas genom Lely-processen , där SiC-pulver sublimeras till högtemperaturarter av kisel, kol, kiseldikarbid (SiC 2 ) och disilikonkarbid (Si 2 C) i en argongas omgivning vid 2500 ° C och återavsatts till flingliknande enkristaller, upp till 2 × 2 cm, vid ett något kallare underlag. Denna process ger högkvalitativa enkristaller, mestadels av 6H-SiC-fas (på grund av hög tillväxttemperatur).
En modifierad Lely-process som involverar induktionsvärmning i grafitdeglar ger ännu större enkristaller med 4 tum (10 cm) i diameter, med en sektion som är 81 gånger större jämfört med den konventionella Lely-processen.
Cubic SiC odlas vanligtvis genom den dyrare processen med kemisk ångavsättning (CVD) av silan, väte och kväve. Homoepitaxiala och heteroepitaxiella SiC-skikt kan odlas med användning av både gas- och vätskefas.
För att bilda komplext format SiC kan prekeramiska polymerer användas som prekursorer som bildar den keramiska produkten genom pyrolys vid temperaturer i intervallet 1000–1100 °C. Prekursormaterial för att erhålla kiselkarbid på ett sådant sätt inkluderar polykarbosilaner, poly(metylsilyn) och polysilazaner. Kiselkarbidmaterial erhållna genom pyrolys av prekeramiska polymerer är kända som polymerhärledda keramer eller PDC. Pyrolys av prekeramiska polymerer utförs oftast under en inert atmosfär vid relativt låga temperaturer. I förhållande till CVD-processen är pyrolysmetoden fördelaktig eftersom polymeren kan formas till olika former före termalisering till keramen.
SiC kan också göras till wafers genom att skära en enkristall antingen med en diamanttrådsåg eller med hjälp av en laser. SiC är en användbar halvledare som används i kraftelektronik.
Struktur och egenskaper
 |
 |
 |
| (p)3C-SiC | 4H-SiC | (a)6H-SiC |
Kiselkarbid finns i cirka 250 kristallina former. Genom inert atmosfärisk pyrolys av prekeramiska polymerer produceras också kiselkarbid i en glasartad amorf form. Polymorfismen av SiC kännetecknas av en stor familj av liknande kristallina strukturer som kallas polytyper. De är varianter av samma kemiska förening som är identiska i två dimensioner och skiljer sig åt i den tredje. Således kan de ses som lager staplade i en viss sekvens.
Alfakiselkarbid (α-SiC) är den vanligast förekommande polymorfen och bildas vid temperaturer över 1700 °C och har en hexagonal kristallstruktur (liknande Wurtzite ). Betamodifieringen (β-SiC), med en zinkblandningskristallstruktur (liknande diamant ), bildas vid temperaturer under 1700 °C. Fram till nyligen har betaformen haft relativt få kommersiella användningsområden, även om det nu finns ett ökande intresse för dess användning som ett stöd för heterogena katalysatorer , på grund av dess högre yta jämfört med alfaformen.
| Polytyp | 3C (β) | 4H | 6H (α) |
|---|---|---|---|
| Kristallstruktur | Zinkblandning (kubisk) | Hexagonal | Hexagonal |
| Rymdgrupp | T 2 d - F 4 3m | C46v -P63 mc _ _ _ | C46v -P63 mc _ _ _ |
| Pearson symbol | cF8 | hP8 | hP12 |
| Gitterkonstanter (Å) | 4,3596 | 3,0730; 10,053 | 3,0810; 15.12 |
| Densitet (g/cm 3 ) | 3.21 | 3.21 | 3.21 |
| Bandgap (eV) | 2,36 | 3.23 | 3.05 |
| Bulkmodul (GPa) | 250 | 220 | 220 |
|
Värmeledningsförmåga (W⋅m −1 ⋅K −1 ) @ 300 K (se för temp.beroende) |
320 | 348 | 325 |
Ren SiC är färglös. Den bruna till svarta färgen på industriprodukten är ett resultat av järnföroreningar . [ citat behövs ] Kristallernas regnbågsliknande lyster beror på tunnfilmsinterferensen från ett passiveringsskikt av kiseldioxid som bildas på ytan.
Den höga sublimeringstemperaturen hos SiC (cirka 2700 °C) gör den användbar för lager och ugnsdelar. Kiselkarbid smälter inte vid någon känd temperatur. Det är också mycket inert kemiskt. Det finns för närvarande stort intresse för dess användning som halvledarmaterial inom elektronik, där dess höga värmeledningsförmåga, höga elektriska fältnedbrytningsstyrka och höga maximala strömtäthet gör det mer lovande än kisel för högeffektsenheter. SiC har också en mycket låg termisk expansionskoefficient (4,0 × 10 −6 /K) och upplever inga fasövergångar som skulle orsaka diskontinuiteter i termisk expansion.
Elektrisk konduktivitet
Kiselkarbid är en halvledare som kan dopas n-typ av kväve eller fosfor och p-typ av beryllium , bor , aluminium eller gallium . Metallisk ledningsförmåga har uppnåtts genom kraftig dopning med bor, aluminium eller kväve.
Supraledning har detekterats i 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B och 6H-SiC:B vid liknande temperaturer ~1,5 K. En avgörande skillnad observeras dock för magnetfältets beteende mellan aluminium och bortopning: 3C-SiC: Al är typ II . Däremot är 3C-SiC:B typ-I , liksom 6H-SiC:B. De supraledande egenskaperna verkar alltså bero mer på dopämne (B vs. Al) än på polytyp (3C- vs 6H-). I ett försök att förklara detta beroende noterades att B ersätter på C-ställen i SiC, men Al ersätter på Si-ställen. Därför "ser" Al och B olika miljöer, i båda polytyperna.
Används
Slipande och skärande verktyg
_disk.jpg)
Inom konsten är kiselkarbid ett populärt slipmedel i modern lapidär på grund av materialets hållbarhet och låga kostnad. I tillverkningen används den för sin hårdhet i slipande bearbetningsprocesser som slipning , honing , vattenstrålskärning och sandblästring . Partiklar av kiselkarbid lamineras på papper för att skapa sandpapper och grepptejpen på skateboards .
1982 upptäcktes en exceptionellt stark komposit av aluminiumoxid och kiselkarbidwhiskers . Utvecklingen av denna laboratorietillverkade komposit till en kommersiell produkt tog bara tre år. 1985 introducerades de första kommersiella skärverktygen gjorda av denna aluminiumoxid och kiselkarbid whiskerförstärkt komposit på marknaden.
Strukturellt material
.jpg)
På 1980- och 1990-talen studerades kiselkarbid i flera forskningsprogram för högtemperaturgasturbiner i Europa , Japan och USA . Komponenterna var avsedda att ersätta turbinblad eller munstycksvingar av nickelsuperlegering . Inget av dessa projekt resulterade dock i en produktionskvantitet, främst på grund av dess låga slagtålighet och dess låga brottseghet .
Liksom annan hård keramik (nämligen aluminiumoxid och borkarbid ) används kiselkarbid i kompositpansar (t.ex. Chobham pansar ) och i keramiska plattor i skottsäkra västar. Dragon Skin , som producerades av Pinnacle Armor , använde skivor av kiselkarbid. Förbättrad brottseghet i SiC-pansar kan underlättas genom fenomenet onormal korntillväxt eller AGG. Tillväxten av onormalt långa kiselkarbidkorn kan tjäna till att ge en segande effekt genom sprickvågsbryggning, liknande morrhårförstärkning. Liknande AGG-härdande effekter har rapporterats i kiselnitrid (Si 3 N 4 ).
Kiselkarbid används som stöd- och hyllmaterial i högtemperaturugnar som för bränning av keramik, glasfusing eller glasgjutning. SiC-ugnshyllor är betydligt lättare och mer hållbara än traditionella aluminiumoxidhyllor.
I december 2015 nämndes infusion av nanopartiklar av kiselkarbid i smält magnesium som ett sätt att producera en ny stark och plastlegering lämplig för användning inom flyg-, rymd-, bil- och mikroelektronik.
Bildelar
Silikon-infiltrerad kol-kol-komposit används för högpresterande "keramiska" bromsskivor , eftersom de kan motstå extrema temperaturer. Kislet reagerar med grafiten i kol-kolkompositen för att bli kolfiberförstärkt kiselkarbid (C/SiC). Dessa bromsskivor används på vissa väggående sportbilar, superbilar, såväl som andra prestandabilar inklusive Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , McLaren P1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini och några specifika hög- prestanda Audi- bilar. Kiselkarbid används också i sintrad form för dieselpartikelfilter . Det används också som en oljetillsats [ tveksamt ] [ förtydligande behövs ] för att minska friktion, utsläpp och övertoner.
Gjuterideglar
SiC används i deglar för att hålla smält metall i små och stora gjuteriapplikationer.
Elektriska system
Den tidigaste elektriska tillämpningen av SiC var i blixtavledare i elektriska kraftsystem. Dessa anordningar måste uppvisa högt motstånd tills spänningen över dem når ett visst tröskelvärde VT, vid vilken punkt deras motstånd måste sjunka till en lägre nivå och bibehålla denna nivå tills den pålagda spänningen faller under VT .
Det upptäcktes tidigt [ när? ] att SiC hade ett sådant spänningsberoende motstånd, och därför kopplades kolonner av SiC-pellets mellan högspänningsledningar och jord. När ett blixtnedslag mot ledningen höjer nätspänningen tillräckligt, kommer SiC-kolonnen att leda, vilket gör att strömmen kan passera ofarligt till jorden istället för längs kraftledningen. SiC-kolonnerna visade sig leda avsevärt vid normala kraftledningsdriftspänningar och måste därför placeras i serie med ett gnistgap . Detta gnistgap joniseras och görs ledande när blixten höjer spänningen på kraftledningsledaren, vilket effektivt kopplar SiC-kolonnen mellan kraftledaren och jorden. Gnistgap som används i blixtavledare är otillförlitliga, antingen misslyckas de med att slå en båge vid behov eller stängs inte av efteråt, i det senare fallet på grund av materialfel eller förorening av damm eller salt. Användningen av SiC-kolonner var ursprungligen avsedd att eliminera behovet av gnistgap i åskavledare. Gapped SiC-avledare användes för åskskydd och såldes bland annat under varumärkena GE och Westinghouse . Den gapade SiC-avledaren har till stor del förskjutits av no-gap varistorer som använder kolonner av zinkoxidpellets .
Elektroniska kretselement
Kiselkarbid var det första kommersiellt viktiga halvledarmaterialet. En kristallradio "carborundum" (syntetisk kiselkarbid) detektordiod patenterades av Henry Harrison Chase Dunwoody 1906. Den fann mycket tidig användning i mottagare ombord.
Power elektroniska enheter
1993 ansågs kiselkarbiden vara en halvledare i både forskning och tidig massproduktion, vilket gav fördelar för snabba, högtemperatur- och/eller högspänningsenheter. De första tillgängliga enheterna var Schottky-dioder , följt av junction-gate FET:er och MOSFET:er för högeffektsväxling. Bipolära transistorer och tyristorer är för närvarande [ när? ] utvecklats.
Ett stort problem för SiC-kommersialisering har varit elimineringen av defekter: kantdislokationer, skruvdislokationer (både ihålig och sluten kärna), triangulära defekter och basalplansdislokationer. Som ett resultat visade enheter gjorda av SiC-kristaller initialt dålig omvänd blockeringsprestanda, även om forskare preliminärt har hittat lösningar för att förbättra nedbrytningsprestandan. Bortsett från kristallkvaliteten har problem med gränssnittet mellan SiC och kiseldioxid hämmat utvecklingen av SiC-baserade effekt-MOSFETs och bipolära transistorer med isolerad grind . Även om mekanismen fortfarande är oklar, nitrering dramatiskt minskat de defekter som orsakar gränssnittsproblemen.
2008 introducerades de första kommersiella JFET:arna klassade till 1200 V på marknaden, följt 2011 av de första kommersiella MOSFET:arna klassade till 1200 V. JFET:arna finns nu tillgängliga med märkvärdet 650 V till 1700 V med motstånd så lågt som 25 mΩ . Förutom SiC-switchar och SiC Schottky-dioder (även Schottky-barriärdioder, SBD ) i de populära TO-247- och TO-220- paketen, började företag ännu tidigare att implementera de blotta chipsen i sina kraftelektronikmoduler .
SiC SBD-dioder hittade bred marknadsspridning som används i PFC- kretsar och IGBT- kraftmoduler . Konferenser som International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS) rapporterar regelbundet om den tekniska utvecklingen av SiC-kraftenheter. Stora utmaningar för att helt frigöra kapaciteten hos SiC-kraftenheter är:
- Gatedrivning: SiC-enheter kräver ofta grinddrivningsspänningsnivåer som skiljer sig från deras kiselmotsvarigheter och kan till och med vara osymmetriska, till exempel +20 V och −5 V.
- Förpackning: SiC- chips kan ha en högre effekttäthet än kiselkraftenheter och kan hantera högre temperaturer som överstiger kiselgränsen på 150 °C. Nya stansningstekniker som sintring krävs för att effektivt få ut värmen ur enheterna och säkerställa en pålitlig sammankoppling.
Från och med Tesla Model 3 använder växelriktarna i drivenheten 24 par MOSFET - chips av kiselkarbid (SiC) klassade för 650 volt vardera. Kiselkarbid i det här fallet gav Tesla en betydande fördel jämfört med spån gjorda av kisel när det gäller storlek och vikt. Ett antal biltillverkare planerar att införliva kiselkarbid i kraftelektronik i sina produkter. En betydande ökning av produktionen av kiselkarbid förväntas, som börjar med en stor fabrik som planeras av Wolfspeed i delstaten New York.
lysdioder
Fenomenet elektroluminescens upptäcktes 1907 med kiselkarbid och de första kommersiella lysdioderna var baserade på SiC. Gula lysdioder tillverkade av 3C-SiC tillverkades i Sovjetunionen på 1970-talet och blå lysdioder (6H-SiC) över hela världen på 1980-talet.
Produktionen av karbid-LED upphörde snart när ett annat material, galliumnitrid , visade 10–100 gånger ljusare emission. Denna skillnad i effektivitet beror på det ogynnsamma indirekta bandgapet hos SiC, medan GaN har ett direkt bandgap som gynnar ljusemission. SiC är dock fortfarande en av de viktiga LED-komponenterna: Det är ett populärt substrat för odling av GaN-enheter, och det fungerar också som en värmespridare i högeffekts-LED.
Astronomi
Den låga värmeutvidgningskoefficienten, höga hårdheten, styvheten och värmeledningsförmågan gör kiselkarbid till ett önskvärt spegelmaterial för astronomiska teleskop. Tillväxtteknologin ( kemisk ångavsättning ) har skalats upp för att producera skivor av polykristallin kiselkarbid upp till 3,5 m (11 fot) i diameter, och flera teleskop som Herschel Space Telescope är redan utrustade med SiC-optik, liksom Gaia - rymden Observatoriets undersystem för rymdfarkoster är monterade på en stel ram av kiselkarbid, vilket ger en stabil struktur som inte expanderar eller drar ihop sig på grund av värme.
Tunn filamentpyrometri
Kiselkarbidfibrer används för att mäta gastemperaturer i en optisk teknik som kallas tunn filamentpyrometri. Det innebär placering av en tunn filament i en het gasström. Strålningsemissioner från glödtråden kan korreleras med glödtrådens temperatur. Filament är SiC-fibrer med en diameter på 15 mikrometer, ungefär en femtedel av ett människohår. Eftersom fibrerna är så tunna gör de lite för att störa lågan och deras temperatur förblir nära den lokala gasen. Temperaturer på ca 800–2500 K kan mätas.
Värmeelement
Referenser till värmeelement av kiselkarbid finns från tidigt 1900-tal när de tillverkades av Achesons Carborundum Co. i USA och EKL i Berlin. Kiselkarbid erbjöd högre driftstemperaturer jämfört med metalliska värmare. Kiselkarbidelement används idag vid smältning av glas och icke-järnmetaller, värmebehandling av metaller, floatglasproduktion , tillverkning av keramik- och elektronikkomponenter, tändare i pilotljus för gasvärmare m.m.
Värmeavskärmning
Det yttre termiska skyddsskiktet på NASA:s LOFTID uppblåsbara värmesköld innehåller en vävd keramik tillverkad av kiselkarbid, med fiber med så liten diameter att den kan buntas och spinnas till ett garn.
Kärnbränslepartiklar och kapsling
Kiselkarbid är ett viktigt material i TRISO -belagda bränslepartiklar, den typ av kärnbränsle som finns i högtemperaturgaskylda reaktorer som Pebble Bed Reactor . Ett lager av kiselkarbid ger belagda bränslepartiklar strukturellt stöd och är den huvudsakliga diffusionsbarriären för frigöring av klyvningsprodukter.
Kiselkarbidkompositmaterial har undersökts för användning som ersättning för Zircaloy - beklädnad i lättvattenreaktorer . En av anledningarna till denna undersökning är att Zircaloy upplever väteförsprödning som en konsekvens av korrosionsreaktionen med vatten. Detta ger en minskning av brottsegheten med ökande volymetrisk fraktion av radiella hydrider. Detta fenomen ökar drastiskt med ökande temperatur till skada för materialet. Kiselkarbidbeklädnad upplever inte samma mekaniska nedbrytning, utan behåller istället hållfasthetsegenskaper med ökande temperatur. Kompositen består av SiC-fibrer lindade runt ett SiC inre skikt och omgivna av ett SiC yttre skikt. Problem har rapporterats med möjligheten att sammanfoga bitarna av SiC-kompositen.
Smycken
Som en ädelsten som används i smycken kallas kiselkarbid "syntetisk moissanite" eller bara "moissanite" efter mineralnamnet. Moissanite liknar diamant i flera viktiga avseenden: den är transparent och hård (9–9,5 på Mohs-skalan , jämfört med 10 för diamant), med ett brytningsindex mellan 2,65 och 2,69 (jämfört med 2,42 för diamant). Moissanite är något hårdare än vanliga cubic zirconia . Till skillnad från diamant kan moissanite vara starkt dubbelbrytande . Av denna anledning skärs juveler av moissanit längs kristallens optiska axel för att minimera dubbelbrytande effekter. Den är lättare (densitet 3,21 g/cm 3 mot 3,53 g/cm 3 ) och mycket mer motståndskraftig mot värme än diamant. Detta resulterar i en sten med högre lyster , skarpare facetter och god spänst. Lösa moissanitstenar kan placeras direkt i vaxringformar för gjutning av förlorat vax, liksom diamant, eftersom moissanite förblir oskadad av temperaturer upp till 1 800 °C (3 270 °F). Moissanite har blivit populärt som diamantersättning och kan felidentifieras som diamant, eftersom dess värmeledningsförmåga är närmare diamant än någon annan ersättning. Många termiska diamanttestenheter kan inte skilja moissanite från diamant, men ädelstenen är distinkt i sin dubbelbrytning och en mycket lätt grön eller gul fluorescens under ultraviolett ljus. Vissa moissanite stenar har också böjda, strängliknande inneslutningar, som diamanter aldrig har.
Stålproduktion
Kiselkarbid, löst i en basisk syreugn som används för att tillverka stål , fungerar som bränsle . Den extra energin som frigörs gör att ugnen kan bearbeta mer skrot med samma laddning av het metall. Den kan också användas för att höja krantemperaturen och justera kol- och kiselhalten. Kiselkarbid är billigare än en kombination av ferrokisel och kol, ger renare stål och lägre utsläpp på grund av låga halter av spårämnen, har en låg gashalt och sänker inte stålets temperatur.
Katalysatorstöd
Den naturliga motståndskraften mot oxidation som kiselkarbid uppvisar, såväl som upptäckten av nya sätt att syntetisera den kubiska β-SiC-formen, med dess större yta, har lett till ett stort intresse för dess användning som ett heterogent katalysatorstöd . Denna form har redan använts som ett katalysatorstöd för oxidation av kolväten , såsom n- butan , till maleinsyraanhydrid .
Carborundum tryckeri
Kiselkarbid används i karborundumtryck - en collagraph tryckteknik . Carborundum grus appliceras i en pasta på ytan av en aluminiumplatta. När pastan är torr appliceras bläck och fångas i dess granulära yta och torkas sedan av plattans nakna områden. Bläckplattan trycks sedan på papper i en rullbäddspress som används för djuptryck . Resultatet är ett tryck av målade märken präglade i papperet.
Carborundum grus används också i stenlitografi. Dess enhetliga partikelstorlek gör att den kan användas för att "korna" en sten som tar bort den föregående bilden. I en liknande process som slipning appliceras grövre grus Carborundum på stenen och bearbetas med en Levigator, sedan appliceras gradvis finare och finare grus tills stenen är ren. Detta skapar en fettkänslig yta.
Grafentillverkning
Kiselkarbid kan användas i produktionen av grafen på grund av dess kemiska egenskaper som främjar den epitaxiella produktionen av grafen på ytan av SiC nanostrukturer.
När det kommer till dess produktion används kisel främst som ett substrat för att odla grafen. Men det finns faktiskt flera metoder som kan användas för att odla grafenet på kiselkarbiden. Tillväxtmetoden för inneslutningskontrollerad sublimering (CCS) består av ett SiC-chip som värms upp under vakuum med grafit. Sedan släpps vakuumet mycket gradvis för att kontrollera tillväxten av grafen. Denna metod ger grafenlager av högsta kvalitet. Men andra metoder har rapporterats ge samma produkt också.
Ett annat sätt att odla grafen skulle vara att termiskt sönderdela SiC vid en hög temperatur i ett vakuum. Men denna metod visar sig ge grafenlager som innehåller mindre korn i lagren. Så det har gjorts ansträngningar för att förbättra kvaliteten och utbytet av grafen. En sådan metod är att utföra ex situ grafitisering av kiselterminerad SiC i en atmosfär bestående av argon. Denna metod har visat sig ge lager av grafen med större domänstorlekar än det lager som skulle kunna uppnås via andra metoder. Denna nya metod kan vara mycket lönsam för att göra grafen av högre kvalitet för en mängd olika tekniska tillämpningar.
När det gäller att förstå hur eller när man ska använda dessa metoder för grafenproduktion, producerar eller odlar de flesta av dem huvudsakligen denna grafen på SiC i en miljö som möjliggör tillväxt. Det används oftast vid ganska högre temperaturer (som 1300 °C) på grund av SiC termiska egenskaper. Det har dock funnits vissa procedurer som har utförts och studerats som potentiellt skulle kunna ge metoder som använder lägre temperaturer för att hjälpa till att tillverka grafen. Mer specifikt har detta annorlunda tillvägagångssätt för grafentillväxt observerats producera grafen i en temperaturmiljö på runt 750 °C. Denna metod innebär en kombination av vissa metoder som kemisk ångdeposition (CVD) och ytsegregering. Och när det kommer till substratet skulle proceduren bestå av att belägga ett SiC-substrat med tunna filmer av en övergångsmetall. Och efter den snabba värmebehandlingen av detta ämne, skulle kolatomerna sedan bli rikligare vid ytan av övergångsmetallfilmen som sedan skulle ge grafen. Och denna process visade sig ge grafenlager som var mer kontinuerliga över hela substratytan.
Kvantfysik
Kiselkarbid kan vara värd för punktdefekter i kristallgittret som är kända som färgcentra . Dessa defekter kan producera enstaka fotoner på begäran och därmed fungera som en plattform för en fotonkälla . En sådan anordning är en grundläggande resurs för många nya tillämpningar av kvantinformationsvetenskap. Om man pumpar ett färgcentrum via en extern optisk källa eller elektrisk ström, kommer färgcentret att föras till det exciterade tillståndet och sedan slappna av med emission av en foton.
En välkänd punktdefekt i kiselkarbid är divakansen som har en liknande elektronisk struktur som kvävevakanscentret i diamant. I 4H-SiC har divakansen fyra olika konfigurationer som motsvarar fyra nollfononlinjer (ZPL). Dessa ZPL-värden skrivs med användning av notationen V Si -V C och enheten eV: hh(1,095), kk(1,096), kh(1,119) och hk(1,150).
Fiskespöguider
Kiselkarbid används vid tillverkning av fiskeguider på grund av dess hållbarhet och slitstyrka. Kiselkarbidringar passar in i en styrram, vanligtvis gjord av rostfritt stål eller titan som hindrar linan från att vidröra stavämnet. Ringarna ger en yta med låg friktion som förbättrar kastavståndet samtidigt som de ger tillräcklig hårdhet som förhindrar nötning från flätad fiskelina.
Se även
externa länkar
- Kelly, JF "A Brief History of Silicon Carbide" . University of London.
- "Moissanite" . Mindat.org.
- "Kiselkarbid" . NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards .
- Mantooth, Alan; Zetterling, Carl-Mikael; Rusu, Ana (28 april 2021). "Radioen vi kunde skicka till helvetet: Radiokretsar av kiselkarbid kan ta emot Venus vulkaniska värme" . IEEE spektrum .
- Asianometri (juli 2022). "Silicon Carbide: A Power Electronics Revolution" . Youtube.
