Perkenalan:
Salah satu material keramik canggih yang sedang naik daun di sektor manufaktur adalah keramik silikon karbida. Dunia sains sangat antusias dengan penemuan ini. Keramik ini merupakan material keramik canggih yang telah menjawab berbagai kebutuhan para industrialis, khususnya sektor elektronika daya.
Asal usul silikon karbida
Semikonduktor canggih yang dikenal saat ini sebagai silikon karbida ditemukan secara tidak sengaja pada tahun 1891 oleh Acheson Ed. Ia adalah seorang ilmuwan Amerika yang ingin memberikan alternatif pengganti berlian. Niatnya jelas, tetapi hasil eksperimennya menghasilkan silikon karbida, yang membuatnya populer, karena belum pernah ada orang yang menemukan hal seperti itu.
Karbida silikon juga ditemukan secara alami sebagai mineral, dalam sebuah meteorit pada tahun 1893, oleh Moissan Henri. Hal ini melahirkan nama lainnya, Moissanite. Karena penemuan ini dan kemiripan komponennya dengan debu bintang, karbida silikon disebut sebagai batu permata dari langit4.
GAMBAR 1: Sepotong meteorit
Persiapan Komersial Karbida Silikon
Keramik silikon karbida dapat diproduksi secara sintetis dalam jumlah komersial. Ada dua metode produksi silikon karbida sintetis yang dikenal. Metode Lely yang digagas oleh Anthony Lely pada tahun 1955, juga dikenal sebagai teknologi pertumbuhan kristal, dan metode uap kimia.
GAMBAR 2: Ikatan kovalen silikon karbida
-
Metode Lely: Ini adalah proses produksi komersial kristal silikon karbida untuk industri semikonduktor. Di sini, bubuk silikon karbida disublimasikan dan dipanaskan dalam wadah peleburan pada suhu yang sangat tinggi dengan gas argon. Setelah itu, kristal menempel pada batang di tengah wadah peleburan yang bersuhu lebih rendah.
-
Metode uap kimia: Ini adalah metode yang diadopsi oleh industri metalurgi dan ekstraktif untuk menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi8. Metode uap kimia melibatkan pemecahan atom silikon dan karbon dalam lingkungan yang terkendali. Pemecahan tidak tuntas yang dihasilkan dari metode ini menghasilkan substrat silikon karbida, yang digunakan oleh industri semikonduktor7.
Banyaknya dimensi silikon karbida sebagai semikonduktor keramik
Silikon karbida adalah zat yang juga dikenal sebagai karborundum. Nama lain yang digunakan untuk menyebutnya adalah semikonduktor silikon karbida, sic, keramik sic, dan substrat silikon karbida. Kita akan sering menukar penggunaan nama-nama tersebut dalam pembahasan kita tentang berbagai karakteristik keramik canggih ini.
Meskipun demikian, dan apa pun nama yang Anda pilih untuk menyebut zat tersebut, fitur-fitur dasarnya tetap sama. Fitur-fitur keramik yang akan diteliti lebih lanjut adalah fitur-fitur kimia, fisik, dan mekanis (sifat-sifat).
Sifat kimia silikon karbida (Sic): Karbida silikon adalah senyawa kimia yang terdiri dari ion silikon dan karbon yang terikat kuat satu sama lain. Ikatan kuat yang dimiliki oleh keramik canggih ini membuatnya inert secara kimia. Celah pita struktur kimianya kuat, sehingga membuatnya sangat efektif sebagai keramik semikonduktor (sic ceramic).
Dengan kata lain, sic tidak dapat dengan mudah terurai oleh zat kimia lain, khususnya asam dan basa. Ikatan tetrahedral atom silikon dan karbon menghasilkan substrat silikon karbida1. Hasilnya, sic memiliki komposisi internal yang dibutuhkan yang sangat cocok di sektor manufaktur, khususnya sebagai semikonduktor.
Zat ini juga sangat tahan terhadap garam dan alkali serta tidak dapat larut dalam air. Sebaliknya, zat ini dapat larut dalam besi cair dan beberapa bentuk asam hidrofluorida.
Secara elektronik, kerapatan pembawa intrinsik keramik sic sangat rendah, dan ini meningkatkan kesesuaiannya terhadap operasi suhu tinggi.
Sifat Fisik: Hal ini mudah tercermin dalam warna, bentuk, dan tekstur zat tersebut. Karborundum adalah permata dan hal ini tercermin dalam berbagai corak warnanya. Sama seperti berlian, karborundum sangat dihargai karena kilaunya, dan warnanya dinilai dari 4 hingga 7. Penting juga untuk dicatat bahwa kecemerlangannya yang kehijauan dapat membuat orang keliru menganggapnya sebagai berlian.
Dikenal juga sebagai Sic cte karena karakteristik termalnya, karena sic cte mendefinisikan koefisien termalnya, bahan silikon karbida terkenal dapat menghantarkan listrik dalam jumlah besar. Bahan ini memiliki titik didih dan titik leleh yang sangat tinggi.
Sifat mekanik silikon karbida: Karbida silikon adalah material yang sangat keras. Bahkan, silikon merupakan zat yang paling keras2. Karbida silikon adalah material yang terkenal keras, kedua setelah berlian. Kovalensi ikatan atom silikon dan karbon dalam karbida silikon membuatnya sangat keras8. Keramik silikon dianggap sangat tahan terhadap korosi dan benturan.
Keramik Sic memiliki bobot yang berat, serta kapasitas penyerapan yang tinggi.
Karborundum dan politipisme: Keramik Sic mengkristal dalam struktur yang berbeda melalui proses yang dikenal sebagai politipisme2, yang menghasilkan politipe keramik tingkat lanjut. Pembentukan politipe dalam silikon karbida disebabkan oleh perbedaan karakteristik permukaan karbon dan silikon5.
Politipe keramik silikon memiliki ciri khas dalam hal mobilitas, celah pita, dan sifat elektronik. Politipe tersebut juga dibedakan berdasarkan susunan kristalnya2. Karakteristik kristal silikon karbida memunculkan bentuknya sebagai karborundum, batu permata yang sangat berharga.
Mobilitas politipe keramik sic ditunjukkan dalam penggunaan silikon karbida untuk pengembangan material akustik.
GAMBAR 3: Kristal keramik Sic
Kegunaan keramik silikon (silikon karbida):
-
Keramik Sic dianggap sebagai salah satu bahan keramik canggih terbaik yang digunakan untuk produksi peralatan balistik. Ini termasuk pakaian pelindung tubuh seperti rompi antipeluru. Sebagian besar rompi antipeluru menggunakan bahan keramik canggih sebagai lapisan depan pakaian. Ini adalah hasil dari kapasitas semikonduktor untuk menangkis proyektil berkecepatan tinggi seperti peluru9.
-
Sic cte digunakan sebagai pelapis untuk teknologi sistem elektromekanis mikro (MEMS) yang digunakan dalam sistem biomedis dan biokimia10. Produk listrik yang dihasilkan dari teknologi MEMs seperti generator dan akustik memerlukan atribut sic cte tersebut. Tujuan pemilihan sic cte adalah untuk mencapai efektivitas biaya dalam produksi serta keandalan8.
GAMBAR 4: Semikonduktor silikon karbida di bagian generator
-
Karbida silikon adalah bahan keramik canggih yang tepercaya yang digunakan dalam produksi batu bata tahan lama, yang digunakan untuk bangunan. Silikon yang terdapat dalam tanah liat yang digunakan dalam produksi batu bata, menjadikannya memiliki atribut keramik yang canggih. Batu bata digunakan dalam konstruksi untuk mencapai kekuatan, daya tahan, dan ventilasi yang baik dalam struktur bangunan11.
GAMBAR 5: Semikonduktor silikon karbida (Batu Bata)
-
Sektor penerbangan terkenal dengan penekanannya pada kualitas dan ketahanan peralatan mereka. Hal ini menginformasikan penggunaan lapisan keramik silikon pada bahan yang digunakan untuk membangun pesawat terbang. Hal ini memastikan bahwa pesawat terbang cukup kuat untuk menahan kekuatan angin berkecepatan tinggi dan pesawat. Berat keramik silikon yang digunakan juga memastikan bahwa pesawat terbang tetap mengapung.
GAMBAR 6: Komponen pesawat yang dibuat dari keramik sik
-
Karakteristik fisik dan mikrostruktur bahan keramik canggih seperti keramik sic menjadikannya pilihan utama. Bahan ini digunakan secara tepat dalam pembuatan komponen penting peralatan listrik seperti generator dan peralatan bedah. Penggunaannya sebagai lapisan tipis membuat bahan ini tahan lama dan tahan terhadap keausan.
GAMBAR 7: Penggunaan Sic dalam elektronik.
-
Kami telah menyebutkan di awal artikel ini bahwa silikon karbida juga dikenal sebagai karborundum. Istilah karborundum khususnya digunakan untuk keramik silikon ketika digunakan untuk perhiasan. Sebagai alternatif yang baik untuk berlian, karborundum sangat disukai untuk pembuatan cincin pertunangan. Harganya lebih murah daripada berlian, tetapi dampaknya sama!
-
Kemampuan silikon karbida untuk mendukung tegangan listrik tinggi membuatnya cocok untuk kendaraan bertenaga listrik dan surya. Silikon karbida memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi dan meningkatkan pembuangan panas di antara komponen-komponen kendaraan listrik12. Keramik silikon yang digunakan dalam pengisi daya kendaraan listrik (EV) meningkatkan efisiensi dengan mengurangi kebutuhan untuk komponen-komponen lainnya12.
-
Keramik silikon berguna untuk proses fotokatalitik. Ini adalah metode yang digunakan untuk meningkatkan proses termodinamika dengan menggunakan energi cahaya untuk fotosintesis. Proses fotokatalitik membantu mengurangi paparan lingkungan terhadap bahan kimia dan racun dari kegiatan industri. Dengan cara ini, silikon karbida merupakan alat yang berguna untuk melindungi lingkungan kita13.
-
Kekerasan material keramik sic membuatnya cocok digunakan sebagai bahan abrasif. Bahan abrasif sendiri harus memiliki kekuatan tarik dan daya tahan. Bahan abrasif seperti keramik sic digunakan di berbagai sektor seperti konstruksi dan sektor teknologi. Contoh bahan abrasif termasuk amplas, yang digunakan untuk menghaluskan permukaan kasar yang lebih lunak14.
GAMBAR 8: Abrasif silikon karbida - amplas
-
Karbida silikon juga digunakan untuk pembuatan bahan pemotong. Karbida silikon sangat keras dan karenanya dapat menahan korosi saat memotong benda lain. Bahan yang dilapisi keramik silikon menawarkan potensi presisi dan kekerasan saat digunakan untuk memotong bahan keras. Selain itu, keramik karbida silikon yang digunakan untuk memotong tidak mudah luntur atau terkorosi meskipun digunakan berulang kali.
Tantangan dalam penggunaan dari silikon karbida meliputi berikut ini:
Ø Silikon karbida merupakan material yang sangat langka. Akibatnya, ketersediaannya bergantung pada produksi komersial, yang dalam banyak kasus menghasilkan senyawa yang tidak murni.
Ø Biaya produksi silikon karbida tinggi dan ini tercermin dari tingginya biaya pembelian oleh para industrialis yang membutuhkannya.
Kesimpulan:
Silikon karbida merupakan penemuan yang sangat bagus dan terus memberikan dampak dalam berbagai bentuk penggunaannya. Kami berharap bahwa kemajuan teknologi lebih lanjut akan muncul untuk menciptakan metode yang lebih murah agar tersedia bagi lebih banyak industrialis.