سیلیکون کارباید چیست و چه ویژگی های کاربردی دارد؟
سیلیکون کارباید (با نماد شیمیایی SiC) یک ماده معدنی جامد بلوری است که در صنایع به عنوان نیمه هادی و سرامیک استفاده می شود و به آن carborundum نیز گفته می شود.
سیلیکون کارباید به طور طبیعی در ماده معدنی نادری به نام مویسانیت یافت می شود. کاربیدهای سیلیکون خالص به صورت بلورهای بی رنگ و شفاف ظاهر می شوند، اما با افزودن ناخالصی هایی مانند نیتروژن یا آلومینیوم، بلورهای سیلیسیم کاربید ممکن است سبز یا آبی به نظر برسند.
سیلیکون کارباید به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود مانند سختی و مقاومت بالا، خواص نیمه هادی و سرامیکی، مورد استفاده گسترده ای قرار می گیرد. این ترکیب برای ساخت دستگاه های روتاری جوینت واکنش سریع، ولتاژ بالا و دمای بالا بسیار مناسب است و نقش مهمی در انقلاب صنعتی ایفا کرده است. همچنین به عنوان ماده افزودنی در مواد ساینده، تولید فولاد و سرامیک ساختاری استفاده می شود.
کشف سیلیکون کاربید
دکتر ادوارد گودریچ آچسون دانشمندی بود که زمانی کنار توماس ادیسون کار می کرد. او ابتدا تلاش می کرد الماس مصنوعی بسازد، اما 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 آبی رنگ را کشف کرد، فکر می کرد ترکیبی از کوراندوم و کربن است. بنابراین، کربن را در کوروندوم مذاب یا آلومینا حل می کرد و به همین دلیل این ماده را کاربورندوم (carborundum) نامید. اگرچه اولین استفاده از این ترکیب به عنوان ساینده بود، اما از آن زمان به بعد در برنامه های الکترونیکی و بسیاری از کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد.
ساختار سیلیکون کاربید
سیلیکون کاربید در یک ساختار بسته بندی شده با اتصالات نزدیک به هم قرار دارد. اتمها در این ساختار به گونهای مرتب شدهاند که دو چهارضلعی حاوی چهار اتم کربن و چهار سیلیکون به یک اتم مرکزی Si و C متصل میشوند. این چهارضلعیها از گوشههای خود به یکدیگر متصل شده و برای ایجاد ساختارهای قطبی روی هم قرار گرفتهاند.
واحدهای چهارضلعی متصل به هم در این ترکیب، ساختارهای قطبی به نام Polytypes را تشکیل میدهند.
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 چهارضلعی تشکیل میدهد و با پیوند کوواالنسی به یک اتم سیلیکون در مرکز متصل میشود. SiC همچنین یک چند شکلی را به نمایش میگذارد، زیرا در فازهای مختلف و ساختارهای بلوری وجود دارد.
روش تولید سیلیکون کاربید
همانطور که گفتیم، این ترکیب در کانی معدنی موریسونایت وجود دارد، اما به ندرت در طبیعت یافت میشود. بنابراین، به روش مصنوعی توسط یک تکنیک سنتزی به نام روش آچسون تولید میشود که به نام مخترع آن، ادوارد جی آچسون، نامگذاری شده است. در این فرآیند، سیلیس خالص (SiO2) 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 سانتیگراد، گرم میشوند. در اینجا، واکنش اصلی شیمیایی منجر به تشکیل SiC نشان داده شده است:
سیلیکون کاربید یک شمش استوانهای در اطراف هسته ایجاد میکند و لایههای α-SiC، β-SiC و یک ماده غیرواکنشی را در خارج تشکیل میدهد. α-SiC بالاترین درجه کیفیت با ساختار بلوری درشت است و β-SiC درجه متالورژی است. بر اساس کیفیت مواد اولیه، SiC میتواند به صورت سبز یا سیاه تولید شود. سپس، شمشهای SiC برای کاربردهای دیگر فرآوری میشوند.
به طور معمول، سیلیکون کاربید با استفاده از فرآیند آچسون تولید میشود که شامل گرم کردن ماسه سیلیس و کربن تا دمای بالا در کوره گرافیت آچسون است. این ترکیب میتواند 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 درمیآید، میتوان دانههای ترکیب را از طریق پخت به هم پیوند داد و یک سرامیک مهندسی بسیار مفید تشکیل داد که در صنایع تولیدی کاربردهای گستردهای دارد.
خصوصیات کلیدی سیلیکون کارباید
سیلیکون کارباید دارای ضریب شکست بیشتر از الماس و رسانایی گرمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این ترکیب قادر به مقاومت در برابر شوک حرارتی است و خواص برجسته ای دارد که برای بسیاری از صنایع مفید است.
این ماده همچنین یک نیمه هادی است و به لطف خصوصیات الکتریکی خود طیف وسیعی از کاربردها را به خود اختصاص می دهد. سختی بسیار زیاد و مقاومت بالا در برابر خوردگی باعث استفاده گسترده این ماده در صنایع مختلف شده است.
کاربردهای عمده سیلیکون کارباید
سیلیکون کارباید به دلیل سختی فیزیکی بالا در فرایندهای ماشینکاری ساینده مانند سنگ زنی، تراش، انفجار شن و برش جت آب کاربرد دارد. مقاومت بالای این ماده در برابر دمای بسیار بالا، باعث استفاده آن در ساخت دیسک های ترمز سرامیکی اتومبیل های اسپرت شده است. همچنین در جلیقه های ضد گلوله و به عنوان یک ماده آب بندی برای عایق کردن شافت پمپ های با سرعت بالا استفاده می شود.
هدایت گرمایی بالای سیلیکون کارباید امکان رفع گرمای اصطکاکی را در یک رابط مالشی فراهم می کند. سختی سطحی بالای این ماده باعث استفاده آن در اجزای مورد استفاده در پمپ ها و دریچه هایی در میدان نفتی می شود که در آن اجزای فلزی متداول میزان سایش بیش از حد را نشان می دهند.
بدون دیدگاه