Silisiumkarbid - Silicon carbide

Silisiumkarbid
Navn
	Foretrukket IUPAC -navn Silisiumkarbid
	Andre navn Carborundum ; Moissanite
Identifikatorer
CAS -nummer
3D -modell ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard	100.006.357
EC -nummer
Gmelin -referanse	13642
MeSH	Silisium+karbid
PubChem CID
RTECS -nummer
UNII
CompTox Dashboard ( EPA )
	InChI InChI = 1S/CSi/c1-2 Nøkkel: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N ; Nøkkel: HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYAF; InChI = 1/CSi/c1-2;
	SMIL [C-]#[Si+];
Egenskaper
Kjemisk formel	C Si
Molar masse	40,096 g · mol −1
Utseende	Gul til grønn til blå-svart, iriserende krystaller
Tetthet	3,16 g⋅cm −3 (heks.)
Smeltepunkt	2.830 ° C (5.130 ° F; 3.100 K) (brytes ned)
Løselighet	Uoppløselig i vann, løselig i smeltet alkali og smeltet jern
Elektronmobilitet	~ 900 cm 2 /(V⋅s) (alle polytyper)
Magnetisk følsomhet (χ)	−12,8 × 10 −6 cm 3 /mol
Brytningsindeks ( n D )	2,55 (infrarød; alle polytyper)
Farer
EU -klassifisering (DSD) (utdatert)	Ikke listet
NFPA 704 (brann diamant)	1 0 0
	NIOSH (amerikanske helseeksponeringsgrenser):
PEL (tillatt)	TWA 15 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.)
REL (anbefalt)	TWA 10 mg/m 3 (totalt) TWA 5 mg/m 3 (resp.)
IDLH (Umiddelbar fare)	ND
	Med mindre annet er angitt, gis data for materialer i standardtilstand (ved 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
	bekreft ( hva er ?)
	Infobox -referanser

Silisiumkarbid ( SiC ), også kjent som karborundum ( / ˌ k ɑːr b ə r ʌ n d əm / ), er en halvleder som inneholder silicium og carbon . Det forekommer i naturen som det ekstremt sjeldne mineralet moissanitt . Syntetisk SiC-pulver har blitt masseprodusert siden 1893 for bruk som slipemiddel . Korn av silisiumkarbid kan bindes sammen ved sintring for å danne veldig hard keramikk som er mye brukt i applikasjoner som krever høy utholdenhet, for eksempel bilbremser, bilkoblinger og keramiske plater i skuddsikre vester . Elektroniske applikasjoner av silisiumkarbid som lysemitterende dioder (LED) og detektorer i tidlige radioer ble først demonstrert rundt 1907. SiC brukes i halvlederelektronikk som opererer ved høye temperaturer eller høye spenninger, eller begge deler. Store enkeltkrystaller av silisiumkarbid kan dyrkes med Lely -metoden, og de kan kuttes i perler kjent som syntetisk moissanitt.

Historie

Naturlig forekomst

Enkel krystall Moissanite (≈1 mm i størrelse)

Naturlig forekommende moissanitt finnes i bare små mengder i visse typer meteoritt og i korundforekomster og kimberlitt . Nesten alt silisiumkarbid som selges i verden, inkludert moissanitt juveler, er syntetisk . Naturlig moissanitt ble først funnet i 1893 som en liten komponent av Canyon Diablo -meteoritten i Arizona av Dr. Ferdinand Henri Moissan , etter hvem materialet ble oppkalt etter i 1905. Moissans oppdagelse av naturlig forekommende SiC ble opprinnelig omstridt fordi prøven hans kan ha blitt forurenset av silisiumkarbid sagblad som allerede var på markedet på den tiden.

Selv om det er sjeldent på jorden, er silisiumkarbid bemerkelsesverdig vanlig i verdensrommet. Det er en vanlig form for stjernestøv som finnes rundt karbonrike stjerner , og eksempler på dette stjernestøvet er funnet i uberørt tilstand i primitive (uendrede) meteoritter. Silisiumkarbidet som finnes i verdensrommet og i meteoritter er nesten utelukkende beta-polymorf . Analyse av SiC -korn funnet i Murchison -meteoritten , en karbonholdig kondrittmeteoritt , har avdekket anomale isotopforhold mellom karbon og silisium, noe som indikerer at disse kornene stammer utenfor solsystemet.

Tidlige eksperimenter

Ikke-systematiske, mindre anerkjente og ofte ubekreftede synteser av silisiumkarbid inkluderer:

César-Mansuète Despretz passerer en elektrisk strøm gjennom en karbonstang innebygd i sand (1849)
Robert Sydney Marsdens oppløsning av silika i smeltet sølv i en grafittdigel (1881)
Paul Schuetzenbergers oppvarming av en blanding av silisium og silika i en grafittdigel (1881)
Albert Colsons oppvarming av silisium under etylenstrøm (1882).

Produksjon i stor skala

En replikasjon av HJ Rounds LED -eksperimenter

Produksjon i stor skala blir kreditert Edward Goodrich Acheson i 1890. Acheson forsøkte å lage kunstige diamanter da han varmet en blanding av leire (aluminiumsilikat) og pulverisert koks (karbon) i en jernskål. Han kalte de blå krystallene som dannet carborundum , og trodde det var en ny forbindelse av karbon og aluminium, lik korund . Moissan syntetiserte også SiC på flere måter, inkludert oppløsning av karbon i smeltet silisium, smelting av en blanding av kalsiumkarbid og silika, og ved å redusere silika med karbon i en elektrisk ovn.

Acheson patenterte fremgangsmåten for fremstilling av silisiumkarbidpulver 28. februar, 1893. Acheson også utviklet den elektriske satsvis ovn ved hvilken SiC lages fremdeles i dag og dannet Carborundum Company for å produsere masse SiC, først for bruk som et slipemiddel. I 1900 gjorde selskapet opp med Electric Smelting and Aluminium Company da en dommeravgjørelse ga "grunnleggende" prioritet til grunnleggerne "for å redusere malm og andre stoffer med glødemetoden". Det sies at Acheson prøvde å oppløse karbon i smeltet korund ( alumina ) og oppdaget tilstedeværelsen av harde, blå-svarte krystaller som han trodde var en forbindelse av karbon og korund: derav carborundum. Det kan være at han kalte materialet "carborundum" analogt med korund, som er et annet veldig hardt stoff (9 på Mohs -skalaen ).

Den første bruken av SiC var som et slipemiddel. Dette ble fulgt av elektroniske applikasjoner. På begynnelsen av 1900 -tallet ble silisiumkarbid brukt som detektor i de første radioene. I 1907 produserte Henry Joseph Round den første LED -en ved å bruke en spenning på en SiC -krystall og observere gul, grønn og oransje utslipp ved katoden. Effekten ble senere gjenoppdaget av OV Losev i Sovjetunionen i 1923.

Produksjon

Syntetiske SiC -krystaller ~ 3 mm i diameter

Fordi naturlig moissanitt er ekstremt knapp, er det meste silisiumkarbid syntetisk. Silisiumkarbid brukes som slipemiddel, samt en halvleder- og diamantsimulator av perlekvalitet . Den enkleste prosess for fremstilling av silisiumkarbid er å kombinere silica sand og karbon i en Acheson grafitt elektrisk motstandsovn ved en høy temperatur, mellom 1600 ° C (2910 ° F) og 2500 ° C (4530 ° F). Fine SiO ₂ -partikler i plantemateriale (f.eks. Risskall) kan omdannes til SiC ved oppvarming av overflødig karbon fra det organiske materialet. Den silikastøv , som er et biprodukt ved fremstilling av silisiummetall, ferrosilisium, kan også omdannes til SiC ved oppvarming med grafitt ved 1500 ° C (2730 ° F).

Materialet dannet i Acheson ovn, varierer i renhet, i henhold til dets avstand fra det grafitt motstanden varmekilden . Fargeløse, lysegule og grønne krystaller har den høyeste renhet og finnes nærmest motstanden. Fargen endres til blått og svart i større avstand fra motstanden, og disse mørkere krystallene er mindre rene. Nitrogen og aluminium er vanlige urenheter, og de påvirker den elektriske ledningsevnen til SiC.

Syntetiske SiC Lely -krystaller

Rent silisiumkarbid kan lages ved Lely-prosessen , der SiC-pulver sublimeres til høytemperaturarter silisium, karbon, silisiumdikarbid (SiC ₂ ) og disilikonkarbid (Si ₂ C) i en argongass ved 2500 ° C og deponeres på nytt i flaklignende enkeltkrystaller, størrelse opp til 2 × 2 cm, på et litt kaldere underlag. Denne prosessen gir enkeltkrystaller av høy kvalitet, hovedsakelig i 6H-SiC-fase (på grunn av høy veksttemperatur).

En modifisert Lely -prosess som involverer induksjonsoppvarming i grafittdigler gir enda større enkeltkrystaller på 10 cm i diameter, med en seksjon 81 ganger større sammenlignet med den konvensjonelle Lely -prosessen.

Kubisk SiC dyrkes vanligvis ved den dyrere prosessen med kjemisk dampavsetning (CVD) av silan, hydrogen og nitrogen. Homoepitaksiale og heteroepitaksiale SiC -lag kan dyrkes ved bruk av både gass- og væskefasemetoder.

For å danne kompleksformet SiC kan prekeramiske polymerer brukes som forløpere som danner det keramiske produktet gjennom pyrolyse ved temperaturer i området 1000–1100 ° C. Forløpermaterialer for å oppnå silisiumkarbid på en slik måte inkluderer polykarbosilaner, poly (metylsilyne) og polysilazaner. Silisiumkarbidmaterialer oppnådd gjennom pyrolysen av prekeramiske polymerer er kjent som polymeravledet keramikk eller PDC. Pyrolyse av prekeramiske polymerer utføres oftest under en inert atmosfære ved relativt lave temperaturer. I forhold til CVD -prosessen er pyrolysemetoden fordelaktig fordi polymeren kan formes til forskjellige former før termisering i keramikken.

SiC kan også gjøres til skiver ved å kutte en enkelt krystall enten ved hjelp av en diamanttrådsag eller ved hjelp av en laser. SiC er en nyttig halvleder som brukes i kraftelektronikk.

Struktur og egenskaper

Struktur av store SiC -polytyper.

(β) 3C-SiC	4H-SiC	(a) 6H-SiC

Silisiumkarbid, bilde tatt under et stereoskopisk mikroskop.

Silisiumkarbid finnes i omtrent 250 krystallinske former. Gjennom den inerte atmosfærepyrolysen av prekeramiske polymerer produseres også silisiumkarbid i en glassaktig amorf form. Polymorfismen til SiC er preget av en stor familie av lignende krystallinske strukturer som kalles polytyper. De er variasjoner av den samme kjemiske forbindelsen som er identiske i to dimensjoner og er forskjellige i den tredje. Dermed kan de sees på som lag stablet i en bestemt sekvens.

Alpha silisiumkarbid (α-SiC) er den vanligste polymorfen og dannes ved temperaturer over 1700 ° C og har en sekskantet krystallstruktur (ligner Wurtzite ). Betamodifikasjonen (β-SiC), med en sinkblandende krystallstruktur (lik diamant ), dannes ved temperaturer under 1700 ° C. Inntil nylig har beta -formen hatt relativt få kommersielle bruksområder, selv om det nå er økende interesse for bruk som en støtte for heterogene katalysatorer, på grunn av dets høyere overflateareal sammenlignet med alfa -formen.

Egenskaper for store SiC -polytyper
Polytype	3C (β)	4H	6H (α)
Krystallstruktur	Sinkblende (kubikk)	Sekskantet	Sekskantet
Romgruppe	T ²_d -F 4 3m	C ⁴_6v -P6 ₃ mc	C ⁴_6v -P6 ₃ mc
Pearson -symbol	cF8	hP8	hP12
Gitterkonstanter (Å)	4.3596	3.0730; 10.053	3.0810; 15.12
Tetthet (g/cm ³ )	3.21	3.21	3.21
Bandgap (eV)	2,36	3.23	3.05
Bulk modul (GPa)	250	220	220
Varmeledningsevne (W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹ ) @ 300 K (se temp. Avhengighet)	360	370	490

Pure SiC er fargeløs. Den brune til sorte farge av det industrielle produkt resulterer fra jernurenheter. Krystallens regnbue-lignende glans skyldes tynnfilmforstyrrelsen av et passiveringslag av silisiumdioksid som dannes på overflaten.

Den høye sublimeringstemperaturen til SiC (ca. 2700 ° C) gjør den nyttig for lagre og ovndeler. Silisiumkarbid smelter ikke ved noen kjent temperatur. Det er også sterkt inert kjemisk. Det er for tiden stor interesse for dets anvendelse som et halvledermateriale i elektronikk, hvor det høy termisk ledningsevne, høy elektrisk feltgjennomslagsfasthet og høy maksimal strøm tetthet gjør det mer lovende enn silisium for høy-baserte enheter. SiC har også en veldig lav termisk ekspansjonskoeffisient (4,0 × 10 ⁻⁶ /K) og opplever ingen faseoverganger som ville forårsake diskontinuiteter i termisk ekspansjon.

Elektrisk Strømføringsevne

Silisiumkarbid er en halvleder , som kan dopes n-type av nitrogen eller fosfor og p-type av beryllium , bor , aluminium eller gallium . Metallisk ledningsevne er oppnådd ved kraftig doping med bor, aluminium eller nitrogen.

Superledning er oppdaget i 3C-SiC: Al, 3C-SiC: B og 6H-SiC: B ved samme temperatur på 1,5 K. En avgjørende forskjell er imidlertid observert for magnetfeltatferd mellom aluminium og bordoping: SiC: Al er type-II , det samme som SiC: B. Tvert imot, SiC: B er type-I . I et forsøk på å forklare denne forskjellen ble det bemerket at Si -steder er viktigere enn karbonsteder for superledning i SiC. Mens bor erstatter karbon i SiC, erstatter Al Si -steder. Derfor "ser" Al og B forskjellige miljøer som kan forklare forskjellige egenskaper til SiC: Al og SiC: B.

Bruker

Slipe- og skjæreverktøy

Skjæreplater laget av SiC

I kunsten er silisiumkarbid et populært slipemiddel i moderne lapidary på grunn av holdbarheten og lave kostnader for materialet. I produksjonen brukes den for sin hardhet i slipende bearbeidingsprosesser som sliping , honing , vannstråleskæring og sandblåsing . Partikler av silisiumkarbid er laminert til papir for å lage sandpapir og gripetape på skateboard .

I 1982 ble en usedvanlig sterk sammensatt av aluminiumoksyd og silisiumkarbid- whiskers ble oppdaget. Utviklingen av denne laboratorieproduserte kompositten til et kommersielt produkt tok bare tre år. I 1985 ble de første kommersielle skjæreverktøyene laget av denne aluminiumoksyd- og silisiumkarbidpiskerforsterkede kompositten introdusert på markedet.

Strukturelt materiale

Silisiumkarbid brukes til traumeplater av ballistiske vester

På 1980- og 1990-tallet ble silisiumkarbid studert i flere forskningsprogrammer for høytemperatur gasturbiner i Europa , Japan og USA . Komponentene var ment å erstatte nikkel superlegering turbinblad eller dysevinger. Ingen av disse prosjektene resulterte imidlertid i en produksjonsmengde, hovedsakelig på grunn av den lave støtmotstanden og den lave bruddseigheten .

Som annen hard keramikk (nemlig aluminiumoksyd og borkarbid ), brukes silisiumkarbid i kompositt rustning (f.eks. Chobham rustning ), og i keramiske plater i skuddsikre vester. Dragon Skin , som ble produsert av Pinnacle Armor , brukte disker av silisiumkarbid. Forbedret bruddseighet i SiC rustning kan lettes gjennom fenomenet unormal kornvekst eller AGG. Veksten av unormalt lange silisiumkarbidkorn kan tjene til å gi en herdende effekt gjennom sprekkdannelse, som ligner på whisker-forsterkning. Lignende AGG-herdende effekter har blitt rapportert i silisiumnitrid (Si ₃ N ₄ ).

Silisiumkarbid brukes som støtte- og hyllemateriale i ovner med høy temperatur, for eksempel for avfyring av keramikk, glassmelting eller glassstøping. SiC ovnhyller er betydelig lettere og mer holdbare enn tradisjonelle aluminiumoksydhyller.

I desember 2015 ble infusjon av silisiumkarbid-nanopartikler i smeltet magnesium nevnt som en måte å produsere en ny sterk og plastlegering egnet for bruk innen luftfart, romfart, bil og mikroelektronikk.

Bildeler

Porsche Carrera GTs karbonkeramiske (silisiumkarbid) skivebrems

Silisiuminfiltrert karbon-karbon-kompositt brukes til høytytende "keramiske" bremseskiver , ettersom de tåler ekstreme temperaturer. Silisiumet reagerer med grafitten i karbon-karbon-kompositten for å bli karbonfiberforsterket silisiumkarbid (C/SiC). Disse bremseskivene brukes på noen sportsbiler, superbiler og andre ytelsesbiler, inkludert Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , McLaren P1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini og noen spesifikke high- ytelse Audi biler. Silisiumkarbid brukes også i sintret form for dieselpartikkelfiltre . Det brukes også som et oljetilsetningsstoff for å redusere friksjon, utslipp og harmoniske.

Smeltedigler

SiC brukes i digler for å holde smeltemetall i små og store støperier.

Elektriske systemer

Den tidligste elektriske applikasjonen av SiC var i lynavledere i elektriske systemer. Disse anordninger må oppvise høy motstand inntil spenningen over dem når en viss terskelverdi V _T , ved hvilket punkt deres motstand må falle til et lavere nivå, og å opprettholde dette nivået til den påtrykte spenningen faller under V _T .

Det ble erkjent tidlig at SiC hadde en slik spenningsavhengig motstand, og slik at kolonnene med SiC-pellets ble koblet mellom høyspent kraftledninger og jorden. Når et lynnedslag på linjen øker linjespenningen tilstrekkelig, vil SiC -kolonnen lede, slik at streikestrømmen kan passere ufarlig til jorden i stedet for langs kraftledningen. SiC-kolonnene viste seg å lede betydelig ved normale driftsspenninger for kraftledninger og måtte derfor plasseres i serie med gnistgap . Dette gnistgapet ioniseres og gjøres ledende når lyn øker spenningen til ledningsledningen, og dermed effektivt kobler SiC -kolonnen mellom kraftlederen og jorden. Gnistgap som brukes i lynavledere er upålitelige, enten de ikke treffer en bue når det trengs eller ikke slås av etterpå, i sistnevnte tilfelle på grunn av materialfeil eller forurensning av støv eller salt. Bruk av SiC -søyler var opprinnelig ment å eliminere behovet for gnistgapet i lynavledere. Gapped SiC-arrestere ble blant annet brukt til lynbeskyttelse og solgt under merkenavnene GE og Westinghouse . Den gapede SiC-arresteren har i stor grad blitt fortrengt av varistorer uten hull som bruker kolonner av sinkoksidpellets .

Elektroniske kretselementer

Silisiumkarbid var det første kommersielt viktige halvledermaterialet. En krystallradio "carborundum" (syntetisk silisiumkarbid) detektordiode ble patentert av Henry Harrison Chase Dunwoody i 1906. Den fant mye tidlig bruk i mottakere ombord.

Strøm elektroniske enheter

Silisiumkarbid er en halvleder innen forskning og tidlig masseproduksjon som gir fordeler for raske enheter med høy temperatur og/eller høyspenning. De første enhetene som var tilgjengelige var Schottky-dioder , etterfulgt av FET-er for kryss-gate og MOSFET-er for veksling med høy effekt. Bipolare transistorer og tyristorer er for tiden utviklet.

Et stort problem for SiC -kommersialisering har vært eliminering av defekter: kantdislokasjoner, skrueforskyvninger (både hul og lukket kjerne), trekantede defekter og basalplan -dislokasjoner. Som et resultat viste enheter laget av SiC -krystaller i utgangspunktet dårlig omvendt blokkeringsytelse, selv om forskere foreløpig har funnet løsninger for å forbedre nedbrytingsytelsen. Bortsett fra krystallkvalitet, har problemer med grensesnittet mellom SiC og silisiumdioksid hindret utviklingen av SiC-baserte kraft-MOSFETer og bipolare transistorer med isolert gate . Selv om mekanismen fremdeles er uklar, har nitriding dramatisk redusert feilene som forårsaker grensesnittproblemer.

I 2008 ble de første kommersielle JFET -ene med en verdi på 1200 V introdusert på markedet, fulgt i 2011 av de første kommersielle MOSFET -ene som var vurdert til 1200 V. JFET -er er nå tilgjengelige med en verdi på 650 V til 1700 V med en motstand så lav som 25 mΩ. Ved siden av SiC-brytere og SiC Schottky-dioder (også Schottky-barrierdiode, SBD ) i de populære TO-247- og TO-220- pakkene, begynte selskaper enda tidligere å implementere bare chips i sine kraftelektroniske moduler .

SiC SBD -dioder fant stor markedsspredning som ble brukt i PFC -kretser og IGBT -strømmoduler . Konferanser som International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS) rapporterer jevnlig om den teknologiske utviklingen av SiC -enheter. Store utfordringer for å fullstendig frigjøre mulighetene til SiC -enheter er:

Gate -stasjon: SiC -enheter krever ofte gate -spenningsnivåer som er forskjellige fra silisium -kolleger og kan til og med være usymmetriske, for eksempel +20 V og -5 V.
Emballasje: SiC -chips kan ha en høyere effekttetthet enn silisiumdrevne enheter og kan håndtere høyere temperaturer som overstiger silisiumgrensen på 150 ° C. Nye dørfeste -teknologier som sintring er påkrevd for effektivt å få varmen ut av enhetene og sikre en pålitelig sammenkobling.

Ultrafiolett LED

Lysdioder

Fenomenet elektroluminescens ble oppdaget i 1907 ved bruk av silisiumkarbid og de første kommersielle lysdiodene var basert på SiC. Gule lysdioder laget av 3C-SiC ble produsert i Sovjetunionen på 1970-tallet og blå lysdioder (6H-SiC) over hele verden på 1980-tallet.

LED -produksjonen stoppet snart da et annet materiale, galliumnitrid , viste 10–100 ganger lysere utslipp. Denne forskjellen i effektivitet skyldes det ugunstige indirekte båndgapet til SiC, mens GaN har et direkte båndgap som favoriserer lysutslipp. Imidlertid er SiC fortsatt en av de viktige LED-komponentene-det er et populært underlag for dyrking av GaN-enheter, og det fungerer også som varmespreder i kraftige lysdioder.

Astronomi

Den lave termiske ekspansjonskoeffisienten, høy hardhet, stivhet og varmeledningsevne gjør silisiumkarbid til et ønskelig speilmateriale for astronomiske teleskoper. Vekstteknologien ( kjemisk dampavsetning ) er skalert opp for å produsere disker av polykrystallinsk silisiumkarbid opp til 3,5 m (11 fot) i diameter, og flere teleskoper som Herschel -romteleskopet er allerede utstyrt med SiC -optikk, så vel som Gaia -rommet observatorier romskip -undersystemer er montert på en stiv silisiumkarbidramme, som gir en stabil struktur som ikke vil ekspandere eller trekke seg sammen på grunn av varme.

Tynn filamentpyrometri

Test flamme og glødende SiC -fibre. Flammen er omtrent 7 cm høy.

Silisiumkarbidfibre brukes til å måle gasstemperaturer i en optisk teknikk som kalles tynn filamentpyrometri. Det innebærer plassering av et tynt filament i en varm gassstrøm. Strålingsutslipp fra filamentet kan korreleres med filamenttemperatur. Filamenter er SiC -fibre med en diameter på 15 mikrometer, omtrent en femtedel av et menneskehår. Fordi fibrene er så tynne, gjør de lite for å forstyrre flammen og temperaturen forblir nær temperaturen til den lokale gassen. Temperaturer på rundt 800–2500 K kan måles.

Varmeelementer

Referanser til silisiumkarbidvarmeelementer eksisterer fra begynnelsen av 1900 -tallet da de ble produsert av Achesons Carborundum Co. i USA og EKL i Berlin. Silisiumkarbid tilbød økte driftstemperaturer sammenlignet med metallovner. Silisiumkarbidelementer brukes i dag ved smelting av glass og ikke-jernholdig metall, varmebehandling av metaller , produksjon av flyteglass , produksjon av keramikk og elektronikkomponenter, tennere i pilotlys for gassvarmere, etc.

Kjernefysiske partikler og kledning

Silisiumkarbid er et viktig materiale i TRISO -belagte drivstoffpartikler, typen kjernebrensel som finnes i høytemperaturgassavkjølte reaktorer som Pebble Bed Reactor . Et lag med silisiumkarbid gir belagte drivstoffpartikler strukturell støtte og er den viktigste diffusjonsbarrieren for frigjøring av fisjonprodukter.

Silisiumkarbid komposittmateriale er blitt undersøkt for anvendelse som en erstatning for Zirkaloy kledning i lettvannsreaktorer . En av årsakene til denne undersøkelsen er at Zircaloy opplever hydrogen -sprøhet som en konsekvens av korrosjonsreaksjonen med vann. Dette gir en reduksjon i bruddseighet med økende volumetrisk brøkdel av radiale hydrider. Dette fenomenet øker drastisk med økende temperatur til skade for materialet. Silisiumkarbidbekledning opplever ikke den samme mekaniske nedbrytningen, men beholder i stedet styrkeegenskaper med økende temperatur. Kompositten består av SiC -fibre viklet rundt et SiC -indre lag og omgitt av et SiC -ytterlag. Det er rapportert om problemer med evnen til å feste delene av SiC -kompositten.

Smykker

En forlovelsesring i moissanitt

Som en edelsten som brukes i smykker , kalles silisiumkarbid "syntetisk moissanitt" eller bare "moissanitt" etter mineralnavnet. Moissanite ligner diamant på flere viktige punkter: den er gjennomsiktig og hard (9–9,5 på Mohs -skalaen , sammenlignet med 10 for diamant), med en brytningsindeks mellom 2,65 og 2,69 (mot 2,42 for diamant). Moissanite er noe hardere enn vanlig cubic zirconia . I motsetning til diamant kan moissanitt være sterkt dobbeltbrytende . Av denne grunn kuttes moissanitt juveler langs den optiske aksen til krystallet for å minimere tobrytende effekter. Den er lettere (tetthet 3,21 g/cm ³ vs. 3,53 g/cm ³ ), og mye mer motstandsdyktig mot varme enn diamant. Dette resulterer i en stein med høyere glans , skarpere fasetter og god spenst. Løse moissanittsteiner kan plasseres direkte i voksringformer for støpning av tapt voks, i likhet med diamant, ettersom moissanitt forblir uskadet ved temperaturer opp til 1800 ° C (3270 ° F). Moissanite har blitt populær som en diamanterstatning, og kan bli feilidentifisert som diamant, siden dens varmeledningsevne er nærmere diamant enn noen annen erstatning. Mange termiske diamanttester kan ikke skille moissanitt fra diamant, men perlen er tydelig i sin dobbeltbrytning og en veldig liten grønn eller gul fluorescens under ultrafiolett lys. Noen moissanittsteiner har også buede, strenglignende inneslutninger, som diamanter aldri har.

Produksjon av stål

Et stykke silisiumkarbid brukt i stålfremstilling

Silisiumkarbid, oppløst i en grunnleggende oksygenovn som brukes til å lage stål , fungerer som et drivstoff . Den ekstra energien som frigjøres, gjør at ovnen kan behandle mer skrap med samme ladning av varmt metall. Den kan også brukes til å øke kranens temperatur og justere karbon- og silisiuminnholdet. Silisiumkarbid er billigere enn en kombinasjon av ferrosilisium og karbon, produserer renere stål og lavere utslipp på grunn av lave nivåer av sporstoffer , har et lavt gassinnhold og senker ikke ståltemperaturen.

Katalysatorstøtte

Den naturlige motstanden mot oksidasjon som silisiumkarbid utviser, samt oppdagelsen av nye måter å syntetisere den kubiske β-SiC-formen, med sitt større overflateareal, har ført til betydelig interesse for bruken av den som en heterogen katalysatorbærer . Denne formen har allerede blitt brukt som en katalysatorbærer for oksidasjon av hydrokarboner , slik som n- butan , til maleinsyreanhydrid .

Carborundum trykk

Silisiumkarbid brukes i carborundum grafikk - en collagraph printmaking teknikk. Carborundum grus påføres i en pasta på overflaten av en aluminiumsplate. Når pastaen er tørr, påføres blekk og fanges i den granulære overflaten, så tørkes den fra de bare områdene på platen. Blekkplaten skrives deretter ut på papir i en rullesenger som brukes til intaglio-trykk . Resultatet er et trykk med malte merker preget i papiret.

Carborundum grus brukes også i steinlitografi. Den ensartede partikkelstørrelsen gjør at den kan brukes til å "korn" en stein som fjerner det forrige bildet. I en lignende prosess som sliping påføres grovere grus Carborundum på steinen og arbeides med en Levigator, deretter påføres gradvis finere og finere korn til steinen er ren. Dette skaper en fettfølsom overflate.

Produksjon av grafen

Silisiumkarbid kan brukes til produksjon av grafen på grunn av dets kjemiske egenskaper som fremmer epitaksial produksjon av grafen på overflaten av SiC -nanostrukturer.

Når det gjelder produksjonen, brukes silisium først og fremst som et substrat for å dyrke grafenet. Men det er faktisk flere metoder som kan brukes til å dyrke grafenet på silisiumkarbidet. Innesperringsstyrt sublimering (CCS) vekstmetode består av en SiC -brikke som varmes opp under vakuum med grafitt. Deretter frigjøres vakuumet veldig gradvis for å kontrollere veksten av grafen. Denne metoden gir grafenlag av høyeste kvalitet. Men andre metoder har blitt rapportert å gi det samme produktet også.

En annen måte å dyrke grafen på er å bryte ned SiC ved høy temperatur i et vakuum. Men denne metoden viser seg å gi grafenlag som inneholder mindre korn i lagene. Så det har vært innsats for å forbedre kvaliteten og utbyttet av grafen. En slik metode er å utføre ex situ grafittisering av silisium -avsluttet SiC i en atmosfære som består av argon. Denne metoden har vist seg å gi lag med grafen med større domenestørrelser enn laget som kunne oppnås via andre metoder. Denne nye metoden kan være svært levedyktig for å lage grafen av høyere kvalitet for et mangfold av teknologiske applikasjoner.

Når det gjelder å forstå hvordan eller når man skal bruke disse metodene for grafenproduksjon, produserer eller vokser de fleste av dem hovedsakelig dette grafenet på SiC i et vekstfremmende miljø. Det brukes oftest ved ganske høyere temperaturer (for eksempel 1300˚C) på grunn av SiC -termiske egenskaper. Imidlertid har det vært visse prosedyrer som har blitt utført og studert som potensielt kan gi metoder som bruker lavere temperaturer for å produsere grafen. Mer spesifikt har denne forskjellige tilnærmingen til grafenvekst blitt observert for å produsere grafen i et temperaturmiljø på rundt 750˚C. Denne metoden innebærer kombinasjon av visse metoder som kjemisk dampavsetning (CVD) og overflatesegregering. Og når det gjelder substratet, vil prosedyren bestå av å belegge et SiC -substrat med tynne filmer av et overgangsmetall. Og etter den raske varmebehandlingen av dette stoffet, ville karbonatomene da bli mer rike på overflaten av overgangsmetallfilmen som deretter ville gi grafen. Og denne prosessen viste seg å gi grafenlag som var mer kontinuerlige gjennom hele substratoverflaten.

Kvantefysikk

Silisiumkarbid kan være vert for punktdefekter i krystallgitteret som er kjent som fargesentre. Disse defektene kan produsere enkeltfoton på forespørsel og dermed tjene som en plattform for enkeltfotonkilder . En slik enhet er en grunnleggende ressurs for mange nye applikasjoner innen kvanteinformasjonsvitenskap. Hvis man pumper et fargesenter via en ekstern optisk kilde eller elektrisk strøm, vil fargesenteret bringes til eksitert tilstand og deretter slappe av med utslipp av ett foton.

En velkjent punktdefekt i silisiumkarbid er avviket som har en lignende elektronisk struktur som nitrogen-ledighetssenteret i diamant. I 4H-SiC har divakansen fire forskjellige konfigurasjoner som tilsvarer fire null-fononlinjer (ZPL). Disse ZPL -verdiene skrives ved hjelp av notasjonen V _Si -V _C og enheten eV: hh (1.095), kk (1.096), kh (1.119) og hk (1.150).

Fiskestangførere

Silisiumkarbid brukes i produksjonen av fiskeguider på grunn av holdbarhet og slitestyrke. Silisiumkarbidringer passer inn i en føringsramme, vanligvis laget av rustfritt stål eller titan som holder linjen i berøring av stangen. Ringene gir en overflate med lav friksjon som forbedrer kasteavstanden samtidig som den gir tilstrekkelig hardhet som forhindrer slitasje fra flettet fiskelinje.

Se også

Referanser

Eksterne linker

Kelly, JF "A Brief History of Silicon Carbide" . University of London.
Sikkerhetsdatablad for silisiumkarbid
Moissanite på Mindat.org
CDC - NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
Mantooth, Alan; Zetterling, Carl-Mikael; Rusu, Ana (28. april 2021). "Radioen vi kunne sende til helvete: Silisiumkarbid -radiokretser kan ta den vulkanske varmen til Venus" . IEEE Spectrum .

Languages

In other projects