Siliciumcarbid | |
---|---|
Generel | |
Chem. formel | SiC |
Fysiske egenskaber | |
Stat | krystaller, druser eller krystallinske pulvere fra transparent hvid, gul, grøn eller mørkeblå til sort, afhængigt af renhed, dispersion, allotrope og polytype modifikationer. |
Molar masse | 40,0962 g/ mol |
Massefylde | 3,21 g/cm³ [1] |
Hårdhed | 9.5 |
Ioniseringsenergi | 9,3 ± 0,1 eV [2] |
Termiske egenskaber | |
Temperatur | |
• smeltning | (dec.) 2730 °C |
• sublimering | 4892±1℉ [2] |
Damptryk | 0 ± 1 mmHg [2] |
Kemiske egenskaber | |
Opløselighed | |
• i vand | uopløselige |
• i syrer | uopløselige |
Optiske egenskaber | |
Brydningsindeks | 2,55 [3] |
Klassifikation | |
Reg. CAS nummer | 409-21-2 |
PubChem | 9863 |
Reg. EINECS nummer | 206-991-8 |
SMIL | [C-]#[Si+] |
InChI | InChI=1S/CSi/cl-2HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N |
RTECS | VW0450000 |
CHEBI | 29390 |
ChemSpider | 9479 |
Sikkerhed | |
NFPA 704 | 0 en 0 |
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet. | |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Siliciumcarbid ( carborundum ) er en binær uorganisk kemisk forbindelse af silicium med kulstof . Kemisk formel for SiC. I naturen forekommer det som et ekstremt sjældent mineral - moissanite . Siliciumcarbidpulver blev opnået i 1893 . Det bruges som et slibemiddel , en halvleder , i mikroelektronik (i kraftværker i elektriske køretøjer), til indsatser , der efterligner diamant i smykker .
Tidlige, ikke-systematiske og ofte ikke-genkendte synteser af siliciumcarbid blev rapporteret af Despretz (1849), Marsden (1880) og Colson (1882) [4] . Storstilet produktion begyndte Edward Goodrich Acheson i 1893. Han patenterede en metode til at opnå pulveriseret siliciumcarbid 28. februar 1893 [5] . Acheson udviklede også en elektrisk ovn, hvori der stadig skabes siliciumcarbid. Han grundlagde The Carborundum Company for at fremstille et pulveriseret stof, der oprindeligt blev brugt som slibemiddel [6] .
Historisk set var den første brug af siliciumcarbid som slibemiddel. Dette blev efterfulgt af applikationer i elektroniske enheder. I begyndelsen af det 20. århundrede blev siliciumcarbid brugt som detektor i de første radiomodtagere [7] . I 1907 skabte Henry Joseph Round den første LED ved at påføre spænding til SiC-krystaller og observere gul, grøn og orange stråling ved katoden . Disse eksperimenter blev gentaget af O. V. Losev i USSR i 1923 [8] .
Naturlig siliciumcarbid-moissanit kan kun findes i ubetydelige mængder i nogle typer meteoritter og i aflejringer af korund og kimberlit . Næsten ethvert siliciumcarbid, der sælges i verden, inklusive i form af moissanite smykker, er syntetisk. Naturlig moissanit blev først opdaget i 1893 som små sekskantede lamelindeslutninger i Canyon Diablo-meteoritten i Arizona af Ferdinand Henri Moissan , efter hvem mineralet blev opkaldt i 1905 [9] . Moissans forskning i den naturlige oprindelse af siliciumcarbid var oprindeligt kontroversiel, fordi hans prøve kunne være blevet forurenet med siliciumcarbidspåner fra en sav (save indeholdt allerede dette stof på det tidspunkt) [10] .
Selvom siliciumcarbid er sjælden på Jorden, er det meget udbredt i rummet . Det findes i støvskyer omkring kulstofrige stjerner og er rigeligt af uberørte, uændrede meteoritter (næsten udelukkende i beta- polymorfe form ). En analyse af siliciumcarbidkorn fundet i den kulstofholdige kondritmeteorit Murchison viste et unormalt isotopforhold mellem kulstof og silicium, hvilket indikerer oprindelsen af dette stof uden for solsystemet : 99% af SiC-kornene blev dannet nær kulstofrige stjerner tilhørende asymptotisk kæmpegren [11] . Siliciumcarbid kan ofte detekteres omkring sådanne stjerner i deres IR -spektre [12] .
På grund af sjældenheden af moissanite i naturen er siliciumcarbid normalt af kunstig oprindelse. Den enkleste produktionsmetode er sintring af silica med kulstof i en Acheson grafit elektrisk ovn ved en høj temperatur på 1600-2500 °C:
Renheden af siliciumcarbid dannet i Acheson-ovnen afhænger af afstanden til grafitmodstanden i varmeelementet .
Krystaller af høj renhed farveløse, lysegule og grønne er tættest på modstanden. Ved større afstand fra modstanden skifter farven til blå eller sort på grund af urenheder. Forurenende stoffer er oftest nitrogen og aluminium, de påvirker det resulterende materiales elektriske ledningsevne [13] .
Rent siliciumcarbid kan opnås ved hjælp af den såkaldte Lely-proces [14] , hvor pulveriseret SiC sublimeres i en argonatmosfære ved 2500 °C og aflejres på et koldere substrat i form af flageenkeltkrystaller op til 2 × 2 cm i størrelse Denne proces giver enkeltkrystaller af høj kvalitet, der er resultatet af hurtig opvarmning til høje temperaturer og hovedsageligt bestående af 6H-SiC-fasen. En forbedret Lely-proces, der involverer induktionsopvarmning i grafitdigler, producerer endnu større enkeltkrystaller op til 10 cm i diameter [15] . Cubic SiC dyrkes som regel ved hjælp af en dyrere proces - kemisk dampaflejring [13] [16] .
Rent siliciumcarbid kan også opnås ved termisk nedbrydning af polymeren polymethylsilan (SiCH 3 ) n , i en inert gasatmosfære ved lave temperaturer. Med hensyn til CVD-processen er pyrolysemetoden mere bekvem, da en genstand af enhver form kan dannes af polymeren før bagning til keramik [17] [18] [19] [20] .
(β)3C-SiC
4H-SiC
(a)6H-SiC
Der kendes ca. 250 krystallinske former for siliciumcarbid [21] . SiC polymorfi er karakteriseret ved et stort antal lignende krystalstrukturer, kaldet polytyper. De er variationer af den samme kemiske forbindelse, der er identiske i to dimensioner, men adskiller sig i en tredje. De kan således betragtes som lag stablet i en stak i en bestemt rækkefølge [22] .
Alfa-siliciumcarbid (α-SiC) er den mest almindeligt forekommende polymorf . Denne modifikation er dannet ved temperaturer over 1700 ° C og har et sekskantet gitter, en krystalstruktur af wurtzite -typen .
Beta-modifikationen (β-SiC), med en krystalstruktur af zinkblandingstypen (analog med diamantstrukturen ), dannes ved temperaturer under 1700 °C [23] . Indtil for nylig havde betaformen relativt lidt kommerciel brug, men nu, på grund af dens anvendelse som heterogene katalysatorer, er interessen for den stigende. Opvarmning af betaformen til temperaturer over 1700°C kan føre til en gradvis overgang af den kubiske betaform til den hexagonale (2Н, 4Н, 6Н, 8Н) og rombiske (15R) former. [24] Med en stigning i temperaturen og tiden for processen, passerer alle de resulterende former til sidst ind i den sekskantede alfa-polytype 6H. [25]
Polytype | 3C(β) | 4H | 6H(α) |
---|---|---|---|
Krystal struktur | Zinkhage (kubisk) | Sekskantet | Sekskantet |
rumgruppe | |||
Pearson symbol | |||
Gitterkonstanter (Å) | |||
Massefylde (g/cm³) | 3.21 | 3.21 | 3.21 |
Båndgab (eV) | 2,36 | 3.23 | 3,05 |
MOS (GPa) | 250 | 220 | 220 |
Termisk ledningsevne (W/(cm K)) | 3.6 | 3.7 | 4.9 |
Ren siliciumcarbid er farveløs. Dens nuancer af brun til sort er forbundet med jernurenheder . Krystallernes iriserende glans skyldes, at der ved kontakt med luft dannes en film af siliciumdioxid på deres overflade , hvilket fører til passivering af det ydre lag.
Siliciumcarbid er et meget inert kemisk stof: det interagerer praktisk talt ikke med de fleste syrer, undtagen koncentreret flussyre (flussyre), salpetersyre og orthophosphorsyre . Kan modstå udendørs opvarmning op til temperaturer på omkring 1500 °C. Siliciumcarbid smelter ikke ved noget kendt tryk, men er i stand til at sublimere ved temperaturer over 1700 °C. Den høje termiske stabilitet af siliciumcarbid gør den velegnet til fremstilling af lejer og udstyrsdele til højtemperaturovne.
Der er stor interesse for at bruge dette stof som et halvledermateriale i elektronik, hvor høj termisk ledningsevne , høj gennembrudsspænding og høj elektrisk strømtæthed gør det til et lovende materiale til højeffektenheder [28] , herunder skabelsen af høj effekt LED'er. Siliciumcarbid har en meget lav termisk udvidelseskoefficient (4,0⋅10 −6 K), og i et ret bredt driftstemperaturområde oplever det ikke faseovergange (inklusive andenordens faseovergange), som kan forårsage ødelæggelse af enkeltkrystaller [ 13] .
Siliciumcarbid er en halvleder , hvis ledningsevne afhænger af urenheder. n -type ledningsevne opnås ved doping med nitrogen eller fosfor , og p -type - med aluminium , bor , gallium eller beryllium [3] . Metallisk ledningsevne blev opnået ved kraftig doping med bor , aluminium og nitrogen .
Superledningsevne blev fundet i polytyperne 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B og 6H-SiC:B ved samme temperatur, 1,5 K [29] .
Siliciumcarbid er et hårdt, ildfast stof. Krystalgitteret ligner det for en diamant. Er en halvleder . [tredive]
Siliciumcarbid er den eneste binære forbindelse dannet af grundstofferne i gruppe IV i det periodiske system af grundstoffer af D. I. Mendeleev . Ifølge typen af kemisk binding hører siliciumcarbid til kovalente krystaller. Fraktionen af ionbindingen på grund af en vis forskel i elektronegativiteten af Si- og C-atomerne overstiger ikke 10-12%. Den kovalente bindingsenergi mellem silicium og kulstofatomer i SiC-krystaller er næsten tre gange højere end bindingsenergien mellem atomer i siliciumkrystaller. På grund af stærke kemiske bindinger skiller siliciumcarbid sig ud blandt andre materialer for sin høje kemikalie- og strålingsbestandighed, temperaturstabilitet af fysiske egenskaber, høj mekanisk styrke og høj hårdhed. I en inert atmosfære nedbrydes siliciumcarbid kun ved meget høje temperaturer:
Stærkt overophedet damp nedbryder siliciumcarbid:
Koncentrerede syrer og deres blandinger opløser siliciumcarbid:
I nærvær af oxygen opløser alkalier siliciumcarbid:
Når det opvarmes, reagerer det med ilt :
med halogener : med nitrogen , der danner siliciumnitrid : med aktive metaller: og deres peroxider :I den moderne skærebutik er siliciumcarbid et populært slibemiddel på grund af dets styrke og lave omkostninger. I fremstillingsindustrien bruges den på grund af dens høje hårdhed i slibende applikationer såsom slibning , honing , vandstråleskæring og sandblæsning . Siliciumcarbidpartikler lamineres på papir for at skabe et sandpapir [33] .
Suspensioner af fine siliciumcarbidpulvere i olie, glycerin eller ethylenglycol bruges i processen med trådskæring af halvleder-enkeltkrystaller til wafers.
I 1982 blev der ved et uheld opdaget en komposit bestående af aluminiumoxid og siliciumcarbid, hvis krystaller vokser i form af meget tynde tråde [34] .
Siliciumcarbid, sammen med wolframcarbid og andre slidbestandige materialer, bruges til at skabe endemekaniske tætninger .
I 1980'erne og 1990'erne blev siliciumcarbid udforsket i adskillige højtemperaturgasturbineforsknings- og udviklingsprogrammer i USA, Japan og Europa. Det var planlagt, at de udviklede siliciumcarbidkomponenter skulle erstatte turbineblade og dyser i nikkel -superlegering . Ingen af disse projekter førte imidlertid til industriel produktion, primært på grund af siliciumcarbids lave slagfasthed og lave brudsejhed [35] .
Ligesom andre meget hårde keramiske materialer ( aluminiumoxid og borcarbid ) bruges siliciumcarbid som en komponent i kompositpanser, der bruges til at beskytte våben og militærudstyr, samt et integreret element af lagdelt keramisk/organoplastisk rustning til skudsikre veste. Pinnacle Armors " Dragon Skin " kropsrustning bruger siliciumcarbidskiver [36] .
Det infiltrerede silicium i carbon-carbon kompositmaterialet bruges til at producere højkvalitets "keramiske" skivebremser , da det er i stand til at modstå ekstreme temperaturer. Silicium reagerer med grafit i "carbon-carbon komposit" og bliver til kulfiberforstærket siliciumcarbid (C/SiC). Diske lavet af dette materiale bruges på nogle sportsvogne, herunder Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini [37] . Siliciumcarbid bruges også i sintrede former i dieselpartikelfiltre [38] . [ afklare ]
De første elektriske enheder fra SiC var ikke-lineære elementer - varistorer og ventilafledere (se også: tirit , vilit , latin , silit ) for at beskytte elektriske installationer mod overspændinger . Siliciumcarbid bruges i afledere i form af vilitmateriale - en blanding af SiC og et bindemiddel. Varistoren har en høj modstand, indtil spændingen over den når en vis tærskelværdi V T , hvorefter dens modstand falder til et lavere niveau og bibeholder denne værdi, indtil den påførte spænding falder under V T [39] .
Elektroniske anordningerSiliciumcarbid bruges i ultrahurtige højspændings Schottky-dioder , NMOS-transistorer og højtemperaturtyristorer [ 40] . Sammenlignet med silicium- og galliumarsenidinstrumenter har siliciumcarbidinstrumenter følgende fordele:
Af de næsten to hundrede og halvtreds modifikationer af siliciumcarbid bruges kun to i halvlederenheder - 4H-SiC og 6H-SiC .
Problemer med grænsefladen mellem elementer baseret på siliciumdioxid hindrer udviklingen af n-MOS transistorer og IGBT'er baseret på siliciumcarbid. Et andet problem er, at SiC selv nedbrydes ved høje elektriske felter på grund af dannelsen af stablingsfejlkæder, men dette problem kan løses meget hurtigt [41] .
Historien om SiC LED'er er ret bemærkelsesværdig: For første gang blev luminescens i SiC opdaget af H. Round i 1907. De første kommercielle LED'er var også baseret på siliciumcarbid. Gule lysdioder fra 3C-SiC blev fremstillet i USSR i 1970'erne [42] , og blå (fra 6H-SiC) rundt om i verden i 1980'erne [43] . Produktionen stoppede hurtigt, fordi galliumnitrid udviste 10 til 100 gange lysere emissioner. Denne effektivitetsforskel skyldes SiCs ugunstige indirekte båndgab, mens galliumnitrid har et direkte båndgab, som øger lysstyrken. SiC er dog stadig en af de vigtige komponenter i LED'er - det er et populært substrat til dyrkning af galliumnitrid-enheder, og det fungerer også som varmespreder i højeffekt-LED'er [43] .
Stivhed, høj varmeledningsevne og lav termisk udvidelseskoefficient gør siliciumcarbid til et termostabilt materiale over et bredt område af driftstemperaturer. Dette forårsager den udbredte brug af siliciumcarbidmatricer til fremstilling af spejlelementer i forskellige optiske systemer, for eksempel i astronomiske teleskoper eller i krafttransmissionssystemer, der anvender laserstråling. Fremskridt inden for teknologi ( kemisk dampaflejring ) gør det muligt at skabe polykrystallinske siliciumcarbidskiver op til 3,5 meter i diameter. Spejlemner kan formes ved en række forskellige metoder, herunder højtrykspresning af rent, fint siliciumcarbidpulver. Adskillige teleskoper, såsom Gaia , er allerede udstyret med sølvbelagt siliciumkarbidoptik [44] [45] .
Siliciumcarbidfibre bruges til at måle temperaturen af gasser ved en optisk metode kaldet fin filamentpyrometri. Ved måling indføres tynde filamenter (diameter 15 µm) af siliciumcarbid i målezonen. Fibrene har praktisk talt ingen indflydelse på forbrændingsprocessen, og deres temperatur er tæt på flammens. Denne metode kan bruges til at måle temperaturer i området 800–2500 K [46] [47] .
Den første omtale af brugen af siliciumcarbid til fremstilling af varmeelementer går tilbage til begyndelsen af det 20. århundrede, hvor de blev lavet af The Carborundum Company i USA og EKL i Berlin .
I øjeblikket er siliciumcarbid et af de typiske materialer til fremstilling af varmeelementer, der er i stand til at fungere ved temperaturer op til 1400 °C i luft og op til 2000 °C i et neutralt eller reducerende miljø. hvilket er mærkbart højere end hvad der er tilgængeligt for mange metalvarmere .
Siliciumcarbid-varmeelementer bruges til smeltning af ikke-jernholdige metaller og glas , ved varmebehandling af metaller , floatglas , til fremstilling af keramik , elektroniske komponenter osv. [48]
På grund af dets høje modstand mod eksterne negative faktorer, herunder naturlige, høj styrke og hårdhed, lav termisk udvidelseskoefficient og lave diffusionskoefficient af urenheder og fissionsprodukter, har reaktionssintret siliciumcarbid fundet anvendelse i kerneenergi [49] .
Siliciumcarbid bruges sammen med andre materialer som et lag af en tristrukturel isotrop belægning til nukleare brændselselementer i højtemperaturreaktorer, herunder gaskølede reaktorer.
Siliciumcarbidbeholdere er lavet til langtidsopbevaring og bortskaffelse af nukleart affald.
Som ædelsten bruges siliciumcarbid i smykker: det kaldes "syntetisk moissanite" eller blot "moissanite". Moissanite ligner diamant: den er gennemsigtig og hård (9-9,5 på Mohs-skalaen , sammenlignet med 10 for diamant), med et brydningsindeks på 2,65-2,69 (sammenlignet med 2,42 for diamant ).
Moissanite har en lidt mere kompleks struktur end almindelige cubic zirconia . I modsætning til diamant kan moissanite have stærk dobbeltbrydning . Denne kvalitet er ønskelig i nogle optiske designs, men ikke i ædelstene. Af denne grund skæres moissanite ædelstene langs den optiske akse af krystallen for at minimere effekten af dobbeltbrydning. Moissanite har en lavere densitet på 3,21 g/cm³ (mod 3,53 g/cm³ for diamant ) og er meget mere modstandsdygtig over for varme. Resultatet er en sten med høj mineralsk glans , med klare kanter og god modstandsdygtighed over for ydre påvirkninger. I modsætning til diamant, der brænder ved 800°C, forbliver moissanit intakt op til 1800°C (til sammenligning: 1064°C er smeltepunktet for rent guld ). Moissanite er blevet populær som en erstatning for diamant, og kan forveksles med diamant, da dens varmeledningsevne er meget tættere på diamantens end nogen anden diamanterstatning. En ædelsten kan skelnes fra en diamant ved dens dobbeltbrydning og meget lidt grøn eller gul fluorescens under ultraviolet lys [50] .
Siliciumcarbid fungerer som brændstof til fremstilling af stål i konverterindustrien . Det er renere end kul , hvilket reducerer produktionsspild. Den kan også bruges til temperaturstigning og kulstofkontrol . Anvendelsen af siliciumcarbid koster mindre og tillader produktion af rent stål på grund af de lave niveauer af sporelementer sammenlignet med en kombination af ferrosilicium og kulstof [51] .
Siliciumcarbids naturlige modstand mod oxidation, såvel som opdagelsen af nye måder at syntetisere den kubiske form af β-SiC med et større overfladeareal, fører til stor interesse for at bruge det som en heterogen katalysator . Denne form er allerede blevet brugt som katalysator ved oxidation af kulbrinter såsom n-butan , maleinsyreanhydrid [52] [53] .
Siliciumcarbid bruges til at fremstille grafen gennem grafitisering ved høje temperaturer. Denne produktion betragtes som en af de lovende metoder til syntese af grafen i stor skala til praktiske anvendelser [54] [55] . Den høje temperatur (2830°C som ovenfor i reaktionen) får siliciumcarbidet til at nedbrydes. Silicium, som et mere flygtigt element, forlader de nærliggende lag og efterlader mono- eller flerlagsgrafen, hvoraf det nederste er stærkt forbundet med bulkkrystallen. Som udgangsmateriale anvendes 6H-SiC(0001)-enkeltkrystaller, på hvis overflade der er dannet grafenterrasser som følge af varmebehandling med størrelser på omkring 1 mikron, adskilt af områder med flere lag [56] .
Kan bruges som fiber i fiberarmeret beton (svarende til basaltfiber ) [57] .
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|