BADANIA ZASTOSOWANIA PODŁOŻA Z WĘGLIKA KRZEMU: ZAAWANSOWANY MATERIAŁ CERAMICZNY

Wstęp:

Jednym z zaawansowanych materiałów ceramicznych, które robią furorę w sektorze produkcyjnym, jest ceramika z węglika krzemu. Świat nauki jest zachwycony tym odkryciem. Jest to zaawansowany materiał ceramiczny, który dostarczył odpowiedzi na wiele potrzeb przemysłowców, szczególnie w sektorze elektroniki mocy.

Pochodzenie węglika krzemu

Zaawansowany półprzewodnik znany dziś jako węglik krzemu został odkryty przez przypadek w roku 1891 przez Achesona Eda. Był on amerykańskim naukowcem, który chciał zapewnić alternatywę dla diamentów. Jego intencja była jasna, ale w wyniku jego eksperymentu powstał węglik krzemu, co przyniosło mu popularność, ponieważ nikt wcześniej nie dokonał takiego odkrycia.

Węglik krzemu został również odkryty jako minerał występujący naturalnie w meteorycie w 1893 r. przez Moissana Henriego. Dało to początek jego innej nazwie, Moissanite. Ze względu na to odkrycie i podobieństwo jego składników do pyłu gwiezdnego, węglik krzemu został nazwany kamieniem szlachetnym z nieba4.

RYS. 1: Fragment meteorytu

Komercyjne przygotowanie węglika krzemu

Ceramikę węglika krzemu można syntetycznie produkować w ilościach komercyjnych. Istnieją dwie znane metody syntetycznej produkcji węglika krzemu. Metoda Lely'ego zapoczątkowana przez Anthony'ego Lely'ego w 1955 r., znana również jako technologia wzrostu kryształów, oraz metoda Chemical vapor.

Rys. 2: Wiązanie kowalencyjne węglika krzemu

1. Metoda Lely'ego: Jest to proces komercyjnej produkcji kryształów węglika krzemu dla przemysłu półprzewodnikowego. Tutaj proszek węglika krzemu jest sublimowany i podgrzewany w tyglu w bardzo wysokich temperaturach z gazem argonowym. Następnie kryształy przylegają do pręta w środku tygla, który ma niższą temperaturę.

2. Metoda chemiczna parowa: Jest to metoda przyjęta przez przemysł metalurgiczny i wydobywczy w celu wytwarzania produktów o wysokiej czystości8. Metoda chemicznej pary obejmuje rozkład atomów krzemu i węgla w kontrolowanym środowisku. Niekompletny rozkład wynikający z tej metody wytwarza podłoża z węglika krzemu, stosowane w przemyśle półprzewodnikowym7.

Wiele wymiarów węglika krzemu jako półprzewodnikowej ceramiki

Węglik krzemu to substancja znana również jako karborund. Inne nazwy, pod którymi jest znany, to półprzewodnik węglika krzemu, sic, ceramiczny sic i podłoże węglika krzemu. Często będziemy zamieniać użycie tych nazw w naszej dyskusji na temat różnych cech tej zaawansowanej ceramiki.

Niemniej jednak, niezależnie od tego, jaką nazwę wybierzesz dla substancji, jej podstawowe cechy pozostają takie same. Cechy ceramiki sic, które zostaną zbadane dalej, to cechy chemiczne, fizyczne i mechaniczne (właściwości).

Właściwości chemiczne węglika krzemu (Sic): Węglik krzemu to związek chemiczny, który składa się z jonów krzemu i węgla, które są silnie ze sobą związane. Silne wiązania, jakie posiada ta zaawansowana ceramika, sprawiają, że jest ona chemicznie obojętna. Przerwa pasmowa jej struktury chemicznej jest silna, co czyni ją wysoce skuteczną jako ceramika półprzewodnikowa (sic ceramic).

Innymi słowy, sic nie może być łatwo rozłożony przez inne substancje chemiczne, szczególnie kwasy i zasady. Tetraedryczne wiązanie atomów krzemu i węgla wytwarza podłoże węglika krzemu1. W rezultacie sic ma wymagany skład wewnętrzny, który dobrze pasuje do sektora produkcyjnego, zwłaszcza jako półprzewodniki.

Jest również wysoce odporny na sole i zasady i nie może być rozpuszczony w wodzie. Zamiast tego może być rozpuszczony w stopionym żelazie, a także w niektórych formach kwasu fluorowodorowego.

Z punktu widzenia elektroniki gęstość nośników własnych krzemu ceramicznego jest bardzo niska, co zwiększa jego przydatność do pracy w wysokich temperaturach.

Właściwości fizyczne: Łatwo odzwierciedlają się one w kolorze, kształcie i fakturze substancji. Karborund jest kamieniem szlachetnym i odzwierciedla się to w jego różnych odcieniach kolorów. Podobnie jak diamenty, są wysoko cenione za swój blask, a kolory są klasyfikowane od 4 do 7. Ważne jest również, aby zauważyć, że jego zielonkawy blask może być mylący dla diamentów.

Znany również jako Sic cte ze względu na swoje właściwości termiczne, ponieważ sic cte definiuje jego współczynnik cieplny, materiały z węglika krzemu są znane z przewodzenia dużej ilości elektryczności. Ma bardzo wysoką temperaturę wrzenia, a także wysoką temperaturę topnienia.

Właściwości mechaniczne węglika krzemu: Węglik krzemu jest bardzo twardym materiałem. W rzeczywistości jest najtwardszą substancją2. Węglik krzemu jest uważany za twardy materiał, drugi po diamencie. Kowalencyjne wiązania atomów krzemu i węgla w węgliku krzemu sprawiają, że jest on bardzo twardy8. Ceramika Sic jest uważana za wysoce odporną na korozję i uderzenia.

Ceramika Sic jest bardzo ciężka, ale ma też dużą zdolność absorpcji.

Karborund i politypizm: Ceramika Sic krystalizuje w różnych strukturach poprzez proces znany jako politypizm2, który wytwarza politypy zaawansowanej ceramiki. Powstawanie politypów w węgliku krzemu przypisuje się różnicom w charakterystyce powierzchni węgla i krzemu5.

Politypy ceramiki sic wyróżniają się pod względem ruchliwości, przerwy energetycznej i właściwości elektronicznych. Różnią się również pod względem ułożenia kryształów2. Krystaliczne właściwości węglika krzemu dały początek jego formie karborundu, wysoko cenionego kamienia szlachetnego.

Mobilność politypów ceramicznych została wykazana w zastosowaniach węglika krzemu w opracowywaniu materiałów akustycznych.

FIG 3: Kryształy ceramiczne Sic

Zastosowania ceramiki krzemowej (węglika krzemu):

1. Ceramika Sic jest uważana za jeden z najlepszych zaawansowanych materiałów ceramicznych stosowanych w produkcji sprzętu balistycznego. Należą do nich odzież ochronna, taka jak kamizelki kuloodporne. Większość kamizelek kuloodpornych wykorzystuje zaawansowane materiały ceramiczne jako przednią warstwę wyposażenia. Wynika to ze zdolności półprzewodnika do odchylania pocisków o dużej prędkości, takich jak kule9.

2. Sic cte jest stosowany jako powłoka dla technologii mikroelektromechanicznych systemów (MEMS) stosowanych w systemach biomedycznych i biochemicznych10. Produkty elektryczne wynikające z technologii MEM, takie jak generatory i akustyka, wymagają takich atrybutów sic cte. Celem dotyczącym wyboru sic cte jest osiągnięcie efektywności kosztowej w produkcji, a także niezawodności8.

RYS. 4: Półprzewodniki z węglika krzemu w częściach generatora

3. Węglik krzemu to zaufany zaawansowany materiał ceramiczny stosowany w produkcji trwałych cegieł, wykorzystywanych w budownictwie. Krzem obecny w glinie, która jest wykorzystywana w produkcji cegieł, nadaje jej zaawansowane właściwości ceramiczne. Cegły są wykorzystywane w budownictwie w celu uzyskania wytrzymałości, trwałości i dobrej wentylacji w konstrukcjach budowlanych11.

FIG 5: Półprzewodnik z węglika krzemu (Bricks)

4. Sektor lotniczy jest znany ze swojego nacisku na jakość i trwałość swojego sprzętu. Informuje to o stosowaniu powłoki ceramicznej krzemowej w materiałach używanych do budowy samolotów. Zapewnia to, że samoloty są wystarczająco wytrzymałe, aby oprzeć się sile wiatru o dużej prędkości i statkom. Odpowiednia waga użytej ceramiki sic zapewnia również, że samoloty pozostają na powierzchni.

RYS. 6: Części samolotu wykonane z ceramiki

5. Fizyczne i mikrostrukturalne właściwości zaawansowanych materiałów ceramicznych, takich jak sic ceramic, czynią je pierwszym wyborem. Są one odpowiednio wykorzystywane w produkcji krytycznych komponentów sprzętu elektrycznego, takich jak generatory, a także narzędzia chirurgiczne. Ich zastosowanie jako cienkich warstw sprawia, że materiały są trwałe i odporne na zużycie.

RYS. 7: Zastosowanie Sic w elektronice.

6. Wspomnieliśmy na początku tego artykułu, że węglik krzemu jest również znany jako karborund. Termin karborund jest szczególnie stosowany do ceramiki sic, gdy odnosi się do jej zastosowania w biżuterii. Jako dobra alternatywa dla diamentów, karborund jest bardzo preferowany do produkcji pierścionków zaręczynowych. Jest tańszy niż diamenty, ale równie efektowny!

7. Zdolność węglika krzemu do obsługi wysokich napięć elektrycznych sprawia, że nadaje się on do pojazdów elektrycznych i zasilanych energią słoneczną. Węglik krzemu ma bardzo wysoką przewodność cieplną i wspomaga rozpraszanie ciepła między częściami składowymi pojazdów elektrycznych12. Ceramika krzemowa stosowana w ładowarkach pojazdów elektrycznych (EV) wspomaga wydajność poprzez zmniejszenie wymagań dotyczących innych części składowych12.

8. Ceramika Sic jest przydatna w procesach fotokatalitycznych. Są to metody, które są wykorzystywane do zwiększenia procesów termodynamicznych poprzez wykorzystanie energii świetlnej do fotosyntezy. Procesy fotokatalityczne pomagają zmniejszyć narażenie środowiska na chemikalia i toksyny pochodzące z działalności przemysłowej. W ten sposób węglik krzemu jest przydatnym narzędziem do ochrony naszego środowiska13.

9. Twardość materiałów sic ceramic sprawia, że nadają się one do stosowania jako materiały ścierne. Materiały ścierne same w sobie muszą posiadać wytrzymałość na rozciąganie, a także trwałość. Materiały ścierne, takie jak sic ceramic, są stosowane w różnych sektorach, takich jak budownictwo i sektor technologiczny. Przykłady materiałów ściernych obejmują papier ścierny, który służy do wygładzania miękkich, szorstkich powierzchni14.

FIG 8: Materiał ścierny z węglika krzemu - papier ścierny

10. Węglik krzemu jest również używany do produkcji materiałów tnących. Jest bardzo twardy i jako taki może wytrzymać korozję podczas cięcia innych przedmiotów. Materiały pokryte ceramiką sic oferują potencjał precyzji i twardości, gdy są używane do cięcia twardych materiałów. Ponadto ceramika węglika krzemu używana do cięcia nie ściera się łatwo ani nie koroduje pomimo wielokrotnego użycia.

Wyzwania w użytkowaniu z węglika krzemu obejmują:

Ø Węglik krzemu jest bardzo rzadkim materiałem. W związku z tym jego dostępność jest uzależniona od produkcji komercyjnej, co w większości przypadków skutkuje nieczystymi formami związku.

Ø Koszty produkcji węglika krzemu są wysokie, co przekłada się na wysokie koszty jego zakupu dla przemysłowców, którzy go potrzebują.

Wniosek:

Węglik krzemu jest bardzo dobrym odkryciem i nadal wywiera wpływ w różnych formach jego wykorzystania. Mamy nadzieję, że pojawią się dalsze postępy technologiczne, które pozwolą na innowacyjne tańsze metody, aby udostępnić go większej liczbie przemysłowców.