سیلیکون کارباید چیست؟
سیلیکون کارباید، که با نام Carborundum نیز شناخته می شود، ترکیبی از سیلیکون و کربن است. کاربید سیلیکون یک ماده نیمه هادی است که به عنوان ماده ای در حال ظهور برای ساخت دستگاه های نیمه هادی استفاده می شود. این ترکیب توسط ادوارد آچسون در سال ۱۸۹۱ کشف شد و در واقع از مهم ترین مواد سرامیکی صنعتی کشف شده است. این ماده نقش اساسی را در انقلاب صنعتی ایفا کرده است و همچنان به عنوان ماده افزودنی برای مواد ساینده و تولید فولاد و سرامیک ساختاری به طور گسترده استفاده می شود.این محصول برای ساخت عمده روتاری جوینت انجام میشود.
کشف سیلیکون کارباید
دکتر ادوارد گودریچ آچسون دانشمندی بود که زمانی کنار توماس ادیسون کار می کرد. او ابتدا تلاش می کرد الماس مصنوعی بسازد، اما به طور اتفاقی سیلیکون کاربید را سنتز کرد. از لحاظ تئوری می توان الماس ها را در آزمایشگاه تولید کرد، بنابراین او تصمیم گرفت با استفاده از مواد بر پایه کربن، الماس را سنتز کند. او در آزمایش خود، فلز سرب را از یک دینام به یک ظرف لوله کشی متصل کرد که پر از خاک رس و کک پودر شده بود.
هنگامی که این مخلوط در معرض دمای بالا قرار گرفت، هیچ گونه الماسی تولید نشد، اما آچسون متوجه لکه های روشن در انتهای سرب شد. او سرب را برداشت و آن را روی یک صفحه شیشه ای کشید، و آن ماده مانند الماس شیشه را برش داد. آنچه که او موفق به ساخت آن شد، اولین ماده ساخت دست بشر بود که به اندازه کافی سخت بود که بتواند شیشه را برش دهد.
آچسون همچنین هنگامی که بلورهای آبی رنگ را کشف کرد، فکر می کرد ترکیبی از کوراندوم و کربن است. به همین دلیل، او این ماده را carborundum نامید. اگرچه اولین استفاده از این ترکیب به عنوان ساینده بود، اما از آن زمان به بعد در برنامه های الکترونیکی و بسیاری از مصارف مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است.
ساختار سیلیکون کاربید
سیلیکون کاربید در یک ساختار بسته بندی شده با اتصالات نزدیک به هم قرار دارد. اتم ها در این ساختار به گونه ای مرتب شده اند که چهارضلعی های حاوی چهار اتم کربن و چهار سیلیکون به یک اتم مرکزی Si و C متصل می شوند. این چهارضلعی ها از گوشه های خود به یکدیگر متصل شده و برای ایجاد ساختارهای قطبی روی هم قرار گرفته اند.
واحدهای چهارضلعی متصل به هم در این ترکیب ساختارهای قطبی به نام Polytypes را تشکیل می دهند.
در واقع، سیلیکون کاربید از عناصر سبک، سیلیکون (Si) و کربن (C) تشکیل شده است. بلوک اصلی سازنده آن کریستالی از چهار اتم کربن است که یک چهارضلعی تشکیل می دهد و با پیوند کوواالنسی به یک اتم سیلیکون در مرکز متصل می شود. SiC همچنین یک چندشکلی را به نمایش می گذارد زیرا در فازهای مختلف و ساختارهای بلوری وجود دارد.
روش تولید سیلیکون کاربید
همانطور که گفتیم، این ترکیب در ماده معدنی موسانیت وجود دارد، اما به ندرت در طبیعت یافت می شود. بنابراین، به روش مصنوعی توسط یک تکنیک سنتتیک به نام روش Acheson تولید می شود که به نام مخترع آن، ادوارد جی آچسون، نامگذاری شده است. در این فرآیند، سیلیس خالص (SiO2) یا ماسه کوارتز و کک نفتی ریز آسیاب شده (کربن) در کوره مقاومتی الکتریکی مخلوط شده و تا دمای بالا در حدود ۱۷۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتی گراد گرم می شوند. در اینجا، واکنش اصلی شیمیایی منجر به تشکیل SiC نشان داده شده است:
سیلیکون کاربید یک شمش استوانه ای در اطراف هسته ایجاد می کند و الیه های α-SiC، β-SiC و یک ماده غیرواکنشی را در خارج تشکیل می دهد. α-SiC بالاترین گرید با ساختار بلوری درشت است و β-SiC گرید متالورژی است. بر اساس کیفیت مواد اولیه، SiC می تواند به صورت سبز یا سیاه تولید شود. سپس، شمش های SiC برای کاربردهای دیگر فرآوری می شوند.
به طور معمول، سیلیکون کاربید با استفاده از فرآیند Acheson تولید می شود که شامل گرم کردن ماسه سیلیس و کربن تا دمای بالا در کوره گرافیت Acheson است. این ترکیب می تواند به صورت پودر ریز یا توده پیوندی تشکیل شود که قبل از استفاده به عنوان ماده اولیه پودر، باید خرد و آسیاب شود. هنگامی که سیلیکون کاربید به صورت پودر درمی آید، می توان دانه های ترکیب را از طریق پخت به هم پیوند داد و یک سرامیک مهندسی بسیار مفید تشکیل داد که در صنایع تولیدی کاربردهای گسترده ای دارد.
خصوصیات کلیدی سیلیکون کارباید
ضریب شکست سیلیکون کارباید بیشتر از الماس است و این ماده دارای رسانایی گرمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این ترکیب میتواند در برابر شوک حرارتی مقاومت کرده و خواص برجسته ای ایجاد کند که برای بسیاری از صنایع مفید است.
همچنین سیلیکون کارباید یک نیمه هادی است و به لطف خصوصیات الکتریکی خود طیف وسیعی از کاربردها را به خود اختصاص میدهد. این ماده به دلیل سختی بسیار زیاد و مقاومت بالا در برابر خوردگی، کاربردهای گسترده ای دارد.
کاربردهای عمده سیلیکون کارباید
سختی فیزیکی سیلیکون کارباید آن را برای استفاده در فرآیندهای ماشینکاری ساینده مانند سنگزنی، تراش، انفجار شن و برش با جت آب ایده آل میکند.
مقاومت این ماده در برابر دمای بسیار بالا، آن را به ماده مناسبی برای ساخت دیسکهای ترمز سرامیکی اتومobile های اسپرت تبدیل کرده است. سیلیکون کارباید همچنین در جلیقه های ضد گلوله و به عنوان یک ماده مهر و موم برای عایق کردن شافت پمپ های با سرعت زیاد استفاده میشود. هدایت گرمایی بالای سیلیکون کارباید، آن را قادر میسازد که گرمای اصطکاکی تولید شده در یک رابط مالشی را از بین ببرد.
سختی سطحی بالای این ماده منجر به استفاده از آن در بسیاری از کاربردهای مهندسی میشود که به درجه بالایی از مقاومت در برابر سایش، لغزش، فرسایش و خوردگی نیاز دارند. از این خواص میتوان در اجزای مورد استفاده در پمپ ها یا دریچه هایی در میدان نفتی که اجزای فلزی معمول بیش از حد سایش مییابند، استفاده کرد.
بدون دیدگاه