Silisiumkarbid: Kjemisk struktur, egenskaper og bruksområder

Silisiumkarbid er et kovalent faststoff dannet av karbon og silisium. Det har stor hardhet med en verdi på 9, 0 til 10 på Mohs-skalaen, og den kjemiske formelen er SiC, noe som kan tyde på at karbon er bundet til silisium ved hjelp av en tredobbelt kovalent binding, med positiv ladning (+ ) i Si og en negativ ladning (-) i karbonet (+ Si = C-).

Faktisk er koblingene i denne forbindelsen helt forskjellige. Det ble oppdaget i 1824 av den svenske kjemikeren Jön Jacob Berzelius, mens han prøvde å syntetisere diamanter. I 1893 oppdaget den franske forskeren Henry Moissani et mineral hvis sammensetning inneholdt silisiumkarbid.

Denne oppdagelsen ble gjort under undersøkelse av steinprøver fra et meteorittkrater i Devil's Canyon, USA. UU. Han kalte dette mineral som moissanitt. På den annen side opprettet Edward Goodrich Acheson (1894) en metode for å syntetisere silisiumkarbid ved å reagere sanden eller høy renhetskvarts med petroleumkoks.

Goodrich kalt karborundum (eller karborundium) til produktet som er oppnådd og grunnla et selskap for å produsere slipemidler.

Kjemisk struktur

Det øvre bildet illustrerer kubisk og krystallinsk struktur av silisiumkarbid. Dette arrangementet er det samme som for diamanten, til tross for forskjellene i atomradiusene mellom C og Si.

Alle bindingene er sterkt kovalente og retningsbestemte, i motsetning til de ioniske faste stoffer og deres elektrostatiske interaksjoner.

SiC danner molekylært tetrahydra; det vil si at alle atomer er knyttet til fire andre. Disse tetrahedriske enhetene er sammenblandet av kovalente bindinger ved å vedta krystallinske strukturer i lag.

Dessuten har disse lagene sine egne krystallarrangementer, som er av tre typer: A, B og C.

Det vil si at et lag A er forskjellig fra B, og sistnevnte er ved C. Således består krystallet av SiC av stabling av en sekvens av lag som forekommer fenomenet kjent som politipisme.

For eksempel består den kubiske polytypen (ligner den av diamant) av en stabel med lag ABC og har derfor en krystallstruktur 3C.

Andre stabler av disse lagene genererer også andre strukturer, blant disse rhomboedrale og sekskantede polytyper. Faktisk blir de krystallinske strukturer av SiC en "krystallinsk forstyrrelse".

Den enkleste sekskantede strukturen for SiC, 2H (øvre bilde), dannes som et resultat av stabling av lagene med ABABA-sekvensen ... Etter hvert to lag blir sekvensen gjentatt, og det er hvor nummer 2 kommer fra .

egenskaper

Generelle egenskaper

Molar masse

40, 11 g / mol

utseende

Avhenger av metoden for innhenting og materialene som brukes. Det kan være: gul, grønn, svarte blå eller iriserende krystaller.

tetthet

3, 16 g / cm3

Smeltepunkt

2830 ºC.

Brytningsindeks

2.55.

krystallene

Det er polymorfisme: aSiC sekskantiske krystaller og βSiC kubiske krystaller.

hardhet

9 til 10 på Mohs skalaen.

Motstand mot kjemiske midler

Det er motstandsdyktig mot virkningen av sterke syrer og alkalier. I tillegg er silisiumkarbid kjemisk inert .

Termiske egenskaper

- Høy termisk ledningsevne.

- Den støtter store temperaturer.

- Høy termisk ledningsevne.

- Koeffisient av lineær termisk ekspansjon lav, slik at den støtter høye temperaturer med lav ekspansjon.

- Motstandsdyktig mot termisk sjokk.

Mekaniske egenskaper

- Høy motstand mot kompresjon.

- Motstandsdyktig mot slitasje og korrosjon.

- Det er et lett materiale med stor styrke og motstand.

- Opprettholder elastisk motstand ved høye temperaturer.

Elektriske egenskaper

Det er en halvleder som kan oppfylle sine funksjoner ved høye temperaturer og ekstreme spenninger, med liten spredning av kraften til det elektriske feltet.

søknader

Som et slipemiddel

- Silisiumkarbid er en halvleder som er i stand til å motstå høye temperaturer, høyspenning eller elektriske feltgradienter 8 ganger mer enn silisium kan tåle. Det er derfor det er nyttig i konstruksjonen av dioder, transienter, suppressorer og mikroenheter med høy energi.

- Lysdioder (LED) og detektorer av de første radioene (1907) er produsert med forbindelsen. For tiden har silisiumkarbid blitt erstattet ved fremstilling av LED-pærer av galliumnitrid som gir et lys på 10 til 100 ganger lysere.

- I de elektriske systemene brukes silisiumkarbid som en lynleder i elektriske anlegg, da de kan regulere motstanden ved å regulere spenningen gjennom den.

I form av strukturert keramikk

- I en prosess som kalles sintring, blir silisiumkarbidpartiklene - så vel som de som ledsagerne - oppvarmet til en temperatur lavere enn smeltetemperaturen til denne blandingen. Dermed øker styrken og styrken til den keramiske gjenstanden, gjennom dannelsen av sterke bindinger mellom partiklene.

- Strukturkeramikken til silisiumkarbid har hatt et bredt spekter av bruksområder. De brukes i skivebremser og i koblingene til motorkjøretøyer, i partikkelfiltre som er til stede i diesel og som tilsetningsstoffer i oljer for å redusere friksjon.

- Bruken av silisiumkarbidkonstruksjonskeramikk har blitt utbredt i delene utsatt for høye temperaturer. For eksempel er dette tilfelle av rakettinjektorens hals og rullene til ovnen.

- Kombinasjonen av høy termisk ledningsevne, hardhet og stabilitet ved høye temperaturer gjør komponentene til varmevekslerrør med silisiumkarbid.

- Strukturell keramikk brukes i sandblastinjektorer, automotive tetninger av vannpumper, lagre og ekstruderingsformer. Det utgjør også materialet til crucibles, brukt ved smelting av metaller.

- Det er en del av varmeelementene som brukes ved smelting av glass og ikke-jernholdige metaller, samt i varmebehandlingen av metaller.

Andre bruksområder

- Kan brukes i gass temperatur måling. I en teknikk som kalles pyrometri, oppvarmes en silisiumkarbidfilament og avgir stråling som korrelerer med temperaturer i en rekkevidde av 800-2500 ºK.

- Det brukes i kjernefysiske anlegg for å hindre lekkasje av materiale produsert ved fisjon.

- Ved produksjon av stål brukes den som drivstoff.