استكشاف استخدام ركيزة كربيد السيليكون: مادة سيراميكية متقدمة

مقدمة:

يُعد سيراميك كربيد السيليكون من المواد الخزفية المتطورة التي تُحدث نقلة نوعية في قطاع التصنيع. وقد أثار هذا الاكتشاف إعجاب أوساط العلوم. فهو مادة خزفية متطورة وفّرت حلولاً للعديد من احتياجات الصناعيين، وخاصةً في قطاع إلكترونيات الطاقة.

أصل كربيد السيليكون

اكتُشف شبه الموصل المتقدم المعروف اليوم بكربيد السيليكون بالصدفة عام ١٨٩١ على يد العالم الأمريكي أتشيسون إد. كان عالمًا يسعى لإيجاد بديل للماس. كانت نيته واضحة، لكن نتيجة تجربته أسفرت عن كربيد السيليكون، مما أكسبه شهرة واسعة، إذ لم يسبق لأحد أن توصل إلى اكتشاف مماثل.

اكتشف مويسان هنري وجود كربيد السيليكون طبيعيًا كمعدن في نيزك عام ١٨٩٣. ومن هنا جاء اسمه الآخر، المويسانيت. ونظرًا لهذا الاكتشاف وتشابه مكوناته مع غبار النجوم، سُمي كربيد السيليكون "الحجر الكريم من السماء"٤.

الشكل 1: قطعة من النيزك

التحضير التجاري لكربيد السيليكون

يمكن إنتاج سيراميك كربيد السيليكون صناعيًا بكميات تجارية. وهناك طريقتان معروفتان لإنتاج كربيد السيليكون صناعيًا: طريقة ليلي التي بدأها أنتوني ليلي عام ١٩٥٥، والمعروفة أيضًا بتقنية نمو البلورات، وطريقة البخار الكيميائي.

الشكل 2: الرابطة التساهمية لكربيد السيليكون

1. طريقة ليلي: هذه عملية إنتاج تجاري لبلورات كربيد السيليكون لصناعة أشباه الموصلات. في هذه العملية، يُسخّن مسحوق كربيد السيليكون في بوتقة عند درجات حرارة عالية جدًا باستخدام غاز الأرجون. بعد ذلك، تلتصق البلورات بقضيب في منتصف البوتقة عند درجة حرارة أقل.

2. طريقة البخار الكيميائي: هذه طريقةٌ اعتمدتها الصناعات المعدنية والاستخراجية لإنتاج منتجات عالية النقاء. تتضمن طريقة البخار الكيميائي تفكيك ذرات السيليكون والكربون في بيئة مُتحكم بها. يُنتج التفكيك غير الكامل الناتج عن هذه الطريقة ركائز كربيد السيليكون، التي تستخدمها صناعة أشباه الموصلات.

الأبعاد المتعددة لكربيد السيليكون باعتباره سيراميكًا شبه موصل

كربيد السيليكون مادة تُعرف أيضًا باسم الكربوراندوم. ومن أسمائها الأخرى: أشباه موصلات كربيد السيليكون، وسيك، وسيك السيراميك، وركيزة كربيد السيليكون. وكثيرًا ما نتبادل استخدام هذه الأسماء عند مناقشتنا للخصائص المختلفة لهذه المادة الخزفية المتطورة.

ومع ذلك، ومهما كان الاسم الذي تختاره للمادة، فإن خصائصها الأساسية تبقى كما هي. خصائص السيراميك التي سيتم دراستها بمزيد من التفصيل هي الخصائص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية.

الخصائص الكيميائية لكربيد السيليكون (Sic): كربيد السيليكون مركب كيميائي يتكون من أيونات السيليكون والكربون المترابطة بقوة. الروابط القوية التي يتمتع بها هذا السيراميك المتطور تجعله خاملًا كيميائيًا. فجوة النطاق في بنيته الكيميائية قوية، مما يجعله فعالًا للغاية كسيراميك شبه موصل (سيراميك سيك).

بمعنى آخر، لا يتفكك السيليكون بسهولة بواسطة مواد كيميائية أخرى، وخاصةً الأحماض والقلويات. يُنتج الرابط رباعي السطوح بين ذرات السيليكون والكربون ركيزة كربيد السيليكون1. ونتيجةً لذلك، يتمتع السيليكون بالتركيب الداخلي المطلوب الذي يناسب قطاع التصنيع، وخاصةً أشباه الموصلات.

كما أنه مقاومٌ جدًا للأملاح والقلويات، ولا يذوب في الماء، بل يمكن إذابته في الحديد المنصهر، بالإضافة إلى بعض أشكال حمض الهيدروفلوريك.

إلكترونيًا، تكون كثافة الناقل الجوهري للسيراميك منخفضة جدًا، مما يعزز ملاءمته للعمليات ذات درجات الحرارة العالية.

الخصائص الفيزيائية: تنعكس هذه الصفات بسهولة في لون المادة وشكلها وملمسها. يُعدّ الكربوراندوم جوهرة، وينعكس ذلك في درجات ألوانه المتنوعة. ومثل الماس، يحظى الكربوراندوم بتقدير كبير بفضل لمعانه، وتُصنّف ألوانه من 4 إلى 7. ومن المهم أيضًا ملاحظة أن لمعانه المائل إلى الخضرة قد يُسبب لبسًا في بعض الأحيان.

يُعرف كربيد السيليكون أيضًا باسم Sic cte نظرًا لخصائصه الحرارية، حيث يُحدد معامله الحراري sic cte. ويُعرف بأنه موصل جيد للكهرباء. كما يتميز بنقطة غليان وانصهار عالية جدًا.

الخصائص الميكانيكية لكربيد السيليكون: كربيد السيليكون مادة صلبة للغاية. في الواقع، هو أصلب مادة في العالم. كربيد السيليكون مادة صلبة، لا يتفوق عليه في الصلابة سوى الماس. إن الترابط التساهمي في روابط ذرات السيليكون والكربون في كربيد السيليكون يجعله صلبًا للغاية. يُعتبر سيراميك السيليكون مقاومًا للغاية للتآكل والصدمات.

يتمتع سيراميك السيك بوزن كبير، فضلاً عن قدرته العالية على الامتصاص.

الكربوراندوم والتعدد النمطي: يتبلور سيراميك السيليكون في هياكل مختلفة من خلال عملية تُعرف باسم تعدد الأنماط2، والتي تُنتج أنواعًا متعددة من السيراميك المتقدم. ويُعزى تكوين الأنواع المتعددة في كربيد السيليكون إلى اختلاف خصائص سطح كل من الكربون والسيليكون5.

تتميز أنواع سيراميك السيليكون المتعددة بخصائص مميزة من حيث قابلية الحركة، وفجوة النطاق، والخصائص الإلكترونية. كما تتميز أيضًا بتكديس بلوراتها2. وقد أرست الخصائص البلورية لكربيد السيليكون أساسًا لشكله، وهو كاربورندوم، وهو حجر كريم ثمين.

تتجلى قدرة أنواع السيراميك المتعددة على الحركة في استخدامات كربيد السيليكون لتطوير المواد الصوتية.

الشكل 3: بلورات السيراميك السيكية

استخدامات سيراميك السيليكون (كربيد السيليكون):

1. يُعتبر سيراميك السيك من أفضل المواد الخزفية المتطورة المستخدمة في إنتاج المعدات الباليستية. وتشمل هذه المواد الملابس الواقية للجسم، مثل السترات الواقية من الرصاص. تستخدم معظم السترات الواقية من الرصاص مواد سيراميكية متطورة كطبقة أمامية، وذلك بفضل قدرة أشباه الموصلات على صد المقذوفات عالية السرعة، مثل الرصاص.

2. يُستخدم طلاء Sic cte كطلاء لتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) المُستخدمة في الأنظمة الطبية الحيوية والكيميائية الحيوية. تتطلب المنتجات الكهربائية الناتجة عن تقنية MEMs، مثل المولدات والأجهزة الصوتية، هذه الخصائص. الهدف من اختيار طلاء Sic cte هو تحقيق فعالية التكلفة في الإنتاج، بالإضافة إلى الموثوقية.

الشكل 4: أشباه موصلات كربيد السيليكون في أجزاء المولد

3. كربيد السيليكون مادة سيراميكية متطورة وموثوقة تُستخدم في إنتاج الطوب المتين المستخدم في البناء. السيليكون الموجود في الطين المستخدم في إنتاج الطوب يُضفي عليه سمة السيراميك المتقدمة. يُستخدم الطوب في البناء لتحقيق القوة والمتانة والتهوية الجيدة في هياكل المباني.

الشكل 5: أشباه موصلات كربيد السيليكون (الطوب)

4. يشتهر قطاع الطيران باهتمامه بجودة ومتانة معداته. وهذا ما يُفسر استخدام طلاء السيراميك السيليكوني في المواد المستخدمة في صناعة الطائرات. يضمن هذا قوة الطائرات الكافية لمقاومة قوة الرياح والسفن عالية السرعة. كما يضمن الوزن المناسب للسيراميك السيليكوني المستخدم بقاء الطائرات طافية.

الشكل 6: أجزاء الطائرات المصنوعة من السيراميك

5. الخصائص الفيزيائية والبنيوية الدقيقة للمواد الخزفية المتقدمة، مثل سيراميك السيليكون، تجعلها الخيار الأمثل. تُستخدم هذه المواد بكفاءة في تصنيع المكونات الأساسية للمعدات الكهربائية، مثل المولدات الكهربائية، والأدوات الجراحية. كما أن استخدامها كأغشية رقيقة يحافظ على متانة المواد ومقاومتها للتآكل.

الشكل 7: استخدام Sic في الإلكترونيات.

6. ذكرنا في بداية هذه المقالة أن كربيد السيليكون يُعرف أيضًا باسم الكربوراندوم. يُستخدم مصطلح الكربوراندوم تحديدًا في صناعة السيراميك، خاصةً في المجوهرات. يُعد الكربوراندوم بديلًا جيدًا للماس، ويُفضل استخدامه في صناعة خواتم الخطوبة. صحيح أنه أقل تكلفة من الماس، ولكنه بنفس قوة تأثيره!

7. قدرة كربيد السيليكون على تحمل الجهد الكهربائي العالي تجعله مناسبًا للمركبات الكهربائية والمركبات التي تعمل بالطاقة الشمسية. يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية جدًا، مما يُعزز تبديد الحرارة بين مكونات المركبات الكهربائية. 12 كما أن سيراميك السيليكون المستخدم في شواحن المركبات الكهربائية يُعزز الكفاءة بتقليل الحاجة إلى مكونات أخرى.12

8. يُستخدم سيراميك السيليكون في عمليات التحفيز الضوئي. تُستخدم هذه الطرق لزيادة العمليات الديناميكية الحرارية باستخدام الطاقة الضوئية في عملية التمثيل الضوئي. تساعد عمليات التحفيز الضوئي على تقليل تعرض البيئة للمواد الكيميائية والسموم الناتجة عن الأنشطة الصناعية. وبالتالي، يُعد كربيد السيليكون أداة فعّالة لحماية بيئتنا.

9. صلابة مواد السيراميك الصلب تجعلها مناسبة للاستخدام كمواد كاشطة. تحتاج المواد الكاشطة، في حد ذاتها، إلى قوة شد ومتانة. تُستخدم المواد الكاشطة، مثل السيراميك الصلب، في قطاعات متنوعة، مثل قطاعي البناء والتكنولوجيا. ومن أمثلة المواد الكاشطة ورق الصنفرة، الذي يُستخدم لتنعيم الأسطح الخشنة الناعمة.

الشكل 8: مادة كاشطة من كربيد السيليكون - ورق صنفرة

10. يُستخدم كربيد السيليكون أيضًا في تصنيع مواد القطع. يتميز بصلابة عالية، ما يجعله مقاومًا للتآكل عند قطع مواد أخرى. تتميز المواد المطلية بسيراميك السيليكون بدقة وصلابة عالية عند استخدامها في قطع المواد الصلبة. كما أن سيراميك كربيد السيليكون المستخدم في القطع لا يتآكل أو يتآكل بسهولة رغم الاستخدام المتكرر.

التحديات في الاستخدام تشمل مكونات كربيد السيليكون ما يلي:

كربيد السيليكون مادة نادرة جدًا. ولذلك، يعتمد توفره على الإنتاج التجاري، مما ينتج عنه في أغلب الأحيان أشكال غير نقية منه.

Ø تكاليف إنتاج كربيد السيليكون مرتفعة وهذا ينعكس في ارتفاع تكلفة الشراء من قبل الصناعيين الذين يحتاجونها.

خاتمة:

يُعد كربيد السيليكون اكتشافًا رائعًا، وقد استمر في إحداث تأثير إيجابي في مختلف استخداماته. نأمل أن تظهر المزيد من التطورات التكنولوجية لابتكار أساليب أقل تكلفةً تجعله متاحًا لعدد أكبر من الصناعيين.