کاربید سیلیکون (SiC) چیست؟

کاربید سیلیکون با نماد شیمیایی SiC یک ماده معدنی جامد کریستالی صنعتی است. از آن به عنوان نیمه هادی و سرامیک استفاده می شود که معمولاً به آن کاربوراندوم می گویند. SiC به طور طبیعی در یک ماده معدنی بسیار کمیاب به نام moissanite وجود دارد. کاربیدهای سیلیکون خالص به صورت کریستال های بی رنگ و شفاف ظاهر می شوند. هنگامی که ناخالصی هایی مانند نیتروژن یا آلومینیوم اضافه می شود، کریستال های کاربید سیلیکون بسته به میزان ناخالصی، سبز یا آبی به نظر می رسند. کاربید سیلیکون بیشتر به دلیل سختی و استحکام آن استفاده می شود، اگرچه ترکیبی از خواص سرامیکی و نیمه هادی آن باعث می شود SiC در ساخت دستگاه های سریع، ولتاژ بالا و دمای بالا عالی باشد. [1].

خواص کاربید سیلیکون

ساختار کریستالی قوی

کاربید سیلیکون از عناصر سبک، سیلیکون (Si) و کربن (C) تشکیل شده است. بلوک اصلی ساختمان آن کریستالی از چهار اتم کربن است که یک چهار وجهی را تشکیل می دهد که به صورت کووالانسی به یک اتم سیلیکون در مرکز پیوند می خورد. SiC همچنین پلی مورفیسم را نشان می دهد زیرا در فازها و ساختارهای کریستالی مختلف وجود دارد [2][3].

سختی بالا

کاربید سیلیکون دارای درجه سختی Mohs 9 است که آن را به سخت ترین ماده موجود در کنار کاربید بور (9.5) و الماس (10) تبدیل می کند. این ویژگی ظاهری است که SiC را به یک ماده عالی برای مهر و موم های مکانیکی، بلبرینگ ها و ابزارهای برش تبدیل می کند.

مقاومت در برابر درجه حرارت بالا

مقاومت کاربید سیلیکون در برابر درجه حرارت بالا و شوک حرارتی خاصیتی است که به SiC اجازه می دهد در ساخت آجرهای نسوز و سایر مواد نسوز استفاده شود. تجزیه کاربید سیلیکون از 2000 درجه سانتیگراد شروع می شود [2].

رسانایی

اگر SiC خالص شود، رفتار آن شبیه یک عایق الکتریکی است. با این حال، با کنترل ناخالصی ها، کاربیدهای سیلیکون می توانند خواص الکتریکی یک نیمه هادی را نشان دهند. به عنوان مثال، وارد کردن مقادیر مختلف آلومینیوم با دوپینگ، نیمه هادی نوع p را تولید می کند. به طور معمول، یک SiC درجه صنعتی دارای خلوص حدود 98 تا 99.5٪ است. ناخالصی های رایج عبارتند از آلومینیوم، آهن، اکسیژن و کربن آزاد [2].

پایداری شیمیایی

کاربید سیلیکون ماده ای پایدار و از نظر شیمیایی خنثی با مقاومت در برابر خوردگی بالا است، حتی زمانی که در اسیدها (هیدروکلریک، سولفوریک، یا هیدروفلوئوریک اسید) یا بازها (هیدروکسیدهای سدیم غلیظ) در معرض یا جوشانده شود. مشخص شده است که در کلر واکنش نشان می دهد، اما فقط در دمای 900 درجه سانتیگراد و بالاتر. کاربید سیلیکون هنگامی که دما در حدود 850 درجه سانتیگراد باشد واکنش اکسیداسیون را در هوا شروع می کند تا SiO را تشکیل دهد.₂ [2].

تولید سیلیکون کاربید

کاربید سیلیکون را می توان در ماده معدنی موسانیت یافت، اما به ندرت در طبیعت یافت می شود. بنابراین، آن را به طور مصنوعی توسط یک تکنیک سنتز به نام روش Acheson، که نام مخترع آن، Edward G. Acheson نامگذاری شده است، تولید می شود. سیلیس خالص (SiO₂، یا ماسه کوارتز و کک نفتی ریز آسیاب شده (کربن) مخلوط شده و در یک کوره مقاومتی الکتریکی تا دمای بالا در حدود 1700 تا 2500 درجه سانتیگراد گرم می شوند. در زیر واکنش شیمیایی اصلی که منجر به تشکیل ɑ-SiC می شود را مشاهده می کنید:

کاربید سیلیکون یک شمش استوانه‌ای در اطراف هسته ایجاد می‌کند و لایه‌هایی از ɑ-SiC، β-SiC و یک ماده واکنش‌نگر در خارج تشکیل می‌دهد. ɑ-SiC بالاترین درجه با ساختار کریستالی درشت است و β-SiC درجه متالورژی است. بر اساس کیفیت مواد خام، SiC را می توان به صورت سبز یا سیاه تولید کرد. سپس شمش های SiC برای کاربرد خاصی که برای آن در نظر گرفته شده اند مرتب شده و پردازش می شوند. ممکن است برای دستیابی به خواص مورد نیاز برای استفاده، آنها را خرد، آسیاب یا تحت درمان شیمیایی قرار دهند [4].

کاربردهای کاربید سیلیکون

با ترکیبی عالی از خواصی که کاربید سیلیکون دارد، به نظر می‌رسد که یک گزینه مواد امیدوارکننده برای کاربردهای در دمای بالا و مقاوم در برابر سایش است. [3].

مواد ساینده

پودرهای کاربید سیلیکون برای فرآیندهای ماشینکاری ساینده مانند سنگ زنی، سندبلاست و برش با جت آب استفاده می شود. SiC را می توان در کاغذ، پارچه یا چوب لمینیت کرد تا چسبندگی اصطکاکی ایجاد کند. همچنین می توان از آن برای شکل دادن، تراش دادن و پرداخت مواد دیگر استفاده کرد.

سنسور گاز با دمای بالا

کاربید سیلیکون به عنوان یک دستگاه سنجش در تولید مواد شیمیایی و در صنایع تست توربین یا موتور برای تشخیص گازهای قابل اشتعال و احتراق در محیط های خشن، با دمای بالا و خورنده استفاده می شود. [3].

الکترونیک

کاربیدهای سیلیکون به دلیل مقاومت در برابر ولتاژ بالا به عنوان نیمه هادی در بسیاری از عناصر مدار استفاده می شوند. مقاومت ولتاژ SiC ده برابر بیشتر از سیلیکون معمولی است و حتی در سیستم هایی که بیش از 1000 ولت هستند بهتر از نیترید گالیم عمل می کند. به این ترتیب، SiC در توسعه وسایل نقلیه الکتریکی، اینورترهای انرژی خورشیدی و سیستم‌های حسگر ارزشمند است [5].

[1] جی ال هریس، خواص سیلیکون کاربید، لندن: INSPEC، 1995.

[2] S. Somiya، Y. Inomata، سرامیک سیلیکون کاربید – 1: واکنش اساسی و جامداسکس: Elsevier Science Publishers LTD، 2012.

[3] SE Saddow، A. Agarwal، پیشرفت در پردازش و کاربردهای سیلیکون کاربیدMA: Artech House Inc, 2004.

[4] “فرآیند تولید SiC” پنج، دوم، [Online] موجود: https://www.fiven.com/world-of-silicon-carbide/sic-production-process/ [Accessed Dec. 11, 2020]

[5] MR Nichols، “مزایای کاربید سیلیکون در نیمه هادی ها چیست؟” متخصص اروپا، مارس 2019، [Online] موجود: https://www.euroscientist.com/what-are-the-benefits-of-silicon-carbide-in-semiconductors/ [Accessed Aug. 30, 2019]