سیلیکون کاربید چیست؟

سیلیکون کاربید چیست؟ از ویژگی ها تا کاربرد 

سیلیکون کاربید یا سیلیکون کارباید (Silicon carbide) یک ماده معدنی نوظهور برای ساخت مواد نیمه رسانا با  ترکیبی از کربن و سیلیکون است که با نماد شیمیایی  SiC مشخص می شود. این ماده به شکل جامد بلوری است و به صورت خام در طبیعت وجود ندارد و تنها به طور طبیعی در شهاب سنگ های بسیار نادر به نام مویسانیت یافت شده است.

 معمولا به این ماده  carborundum نیز گفته می شود، در حقیقت کربوراندوم نام تجاری سیلیکون کاربید است. بیشترین کاربرد کربوراندوم در صنایع سرامیک و ساخت ساینده ها، مواد نیمه هادی و دیرگدازها است.

کاربایدهای سیلیکون خالص معمولا به شکل بلورهای بی رنگ و شفاف هستند، ولی اگر ناخالصی هایی مانند نیتروژن یا آلومینیوم به آنها اضافه شوند ، بلورهای این ماده معدنی بسته به سطح ناخالصی آبی یا سبز به نظر می رسند.

تاریخچه

نخستین بار در سال 1890 میلادی دانشمندی به نام «ادوارد گودریچ آچسون» تلاش کرد که الماسی مصنوعی بسازد، هنگامی که سیلیکات آلومینیوم (خاک رس) و کک پودر شده (کربن) را در یک ظرف آهنی مخلوط و گرم کرد هیچ گونه الماسی تولید نشد، اما او متوجه کریستال های آبی رنگی شد. وی گمان کرد این ماده جدید ترکیبی از کربن و آلومینا است؛ کربن را در آلومینا یا کورنوم مذاب شده حل کرد و به ترکیب جدیدی دست یافت و به همین دلیل نام آن را کربوراندوم ( Carborundum ) نهاد، این ماده جدید همان کاربید سیلیکون بود.

آچسون در 28 فوریه 1893 میلادی سنتز پودر کاربید سیلیکون را به ثبت اختراع رسانید و آنچه که او ساخت، در حقیقت نخستین ساخته دست بشر بود که به علت سخت بودنش بود می توانست شیشه را برش دهد.

در مورد کشف کارباید سیلیکون باید گفت اگرچه این ماده معدنی به طور طبیعی وجود ندارد، اما شواهدی در دست است که در سال 1893 میلادی فردیناند مویسان، هنگام بررسی نمونه سنگ های یافت شده در شهاب سنگ «کانیون دیابلو» در آریزونا ماده معدنی کمیاب کاربید سیلیکون (Sic) را کشف کرد که به احترام او، این ماده را «مویسانیت» نام نهادند.

در واقع سیلیسیم کاربید یکی از مهمترین مواد سرامیکی صنعتی است که نقش اصلی را در انقلاب صنعتی ایفا کرده و هنوز هم به عنوان ماده افزودنی برای صنایع فولاد و سرامیک سازی و مواد ساینده مورد استفاده قرار می گیرد. 

ویژگی های سیلیکون کاربید

کاربید سیلیکون دارای ویژگی های بسیاری است که در زیر به برخی از آنها اشاره می کنیم:

- ساختار کریستالی هگزاگونال یا مکعبی است.

- این ماده کمیاب به شکل جامد بلوری بوده و نمونه های خالص آن معمولا بی رنگ و شفاف است و در صورتی که به آن ناخالصی هایی مانند نیتروژن یا آلومینیوم به آن اضافه شود، بسته به میزان ناخالصی به رنگ سبز یا آبی تبدیل می شود.

- چگالی این ماده ۲۱/۳ گرم بر سانتیمتر مکعب است.

- این ترکیب دارای درجه سختی 9 موس است و یکی از سخت ترین ماده، در کنار کاربید بور با درجه سختی 5/9 و الماس با درجه سختی 10 است.

- کاربید سیلیسیم قادر است تا دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس را تحمل کند بدون اینکه تغییرات شیمیایی و فیزیکی قابل توجهی از خود نشان دهد.

- ضریب شکست سیلیکون کاربید از الماس بیشتر است و در برابر شوک حرارتی مقاومت بسیاری دارد که همین ویژگی آن را برای بسیاری از صنایع مفید می سازد.

- اگر این ماده خالص سازی شود از خود خصوصیات یک عایق الکتریکی را نشان می دهد، در هر حال سیلیکون کارباید یک نیمه رسانا محسوب می شود و به خاطر خصوصیات الکتریکی، سختی زیاد و مقاومت در برابر خوردگی طیف وسیعی از کاربردها را در این حوزه به خود اختصاص می دهد.

- هدایت گرمایی بالای که سیلیکون کارباید دارد، مهمترین مزیتی است که سبب شده این ماده گرمای اصطکاکی تولی شده در یک رابط مالشی را از بین ببرد، همچنین به عنوان مواد ساینده عالی در صنایع مختلف کاربرد بسیاری دارد.

- این ماده، یک ماده پایدار محسوب می شود و از نظر شیمیایی خنثی است و اگر در معرض اسیدها و بازها قرار بگیرد، هیچ واکنشی از خود نشان نمی دهد. تنها در کلر واکنش نشان می دهد، آن هم در دمای 900 درجه سانتیگراد یا بالاتر و در دمای 850 درجه سانتیگراد در هوا اکسید می شود.

ساختار مولکولی کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون از دو عنصر سبک، سیلیکون (Si ) و کربن (C ) ساخته شده که به شکل  کریستالی از چهار اتم کربن است که یک چهارضلعی را به وجود می آورد و با پیوند کووالانسی به یک اتم سیلیکون در مرکز چهارضلعی متصل شده و ساختار های قطبی به نام  Polytypesرا به وجود می آورد.

روش تولید سیلیکون کاربید

همان گونه که عنوان شد، این ترکیب به ندرت در طبیعت وجود دارد و تنها در ماده معدنی موسانیت یافت می شود، بنابراین در جهان به روش آچسون یا سنتتیک و معمولا به صورت مصنوعی تولید و سنتز می شود. 

در روش سیلیس خالص((SiO کک ریز آسیاب شده (کربن) را در کوره مقاومت الکتریکی مخلوط می کنند و حدودا تا دمای  بین 1700 تا 2500 درجه سانتیگراد گرم می کنند که سرانجام این واکنش شیمیایی منجر به تشکیل کاربید سیلیکون( SiC) می شود که به رنگ سیاه یا سبز است که البته رنگ آن به کیفیت مواد اولیه آن بستگی دارد.

این ترکیب طبق روش آچسون می تواند به صورت پودر ریز یا توده پیوندی تولید شود که اگر به عنوان ماده اولیه مورد استفاده گیرد، باید خرد و آسیاب شود، البته سیلیکون کاربید به صورت شمش نیز تولید می شود که در صنایع مختلف کاربرد دارد.

 هنگامی که سیلیکون کاربید به صورت پودر درمی آید، می توان دانه های این ترکیب را از طریق پخت بهم پیوند داد و یک سرامیک مهندسی بسیار مفید به وجود آورد که در صنایع تولیدی کاربردهای بسیاری دارد.

کاربردهای سیلیکون کارباید

سیلیکون کاربید کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف دارد، سختی فیزیکی که این ماده معدنی دارد آن را تبدیل به یکی از مهمترین و پرکاربرد ترین مواد سرامیکی جهان کرده است.

در ادامه به پاره ای از مهمترین کاربردهای این ترکیب می پردازیم:

1- از این ماده به عنوان یک نیمه رسانا برای ساخت و تولید دیودهای ساطع کننده نور با ولتاژ بالا، MOSFET ها و تریستورها برای سوئیچینگ قدرت بالا استفاده می کنند.

2- به علت مقاومت زیاد این ماده در برابر حرارت و دمای بالا بدون شکستن و از بین رفتن، از آن برای ساخت دیسک های ترمز سرامیکی خودروهای اسپرت، ترمز و کلاچ خودرو، همچنین در جلیقه های ضدگلوله و به عنوان یک ماده مهر و موم برای عایق کردن شافت پمپ استفاده می شود که با سرعت بسیار کار می کند.

 3- به علت سختی سطحی بالای این ماده در بسیاری از کاربردهای مهندسی که به درجه بالایی از مقاومت در برابر سایش، لغزش، فرسایش و خوردگی نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرد. برای نمونه می توان از آن در اجزای مورد استفاده در پمپ ها یا دریچه های کاربردی در میدان نفتی که در آن اجزای فلزی متداول، مقدار ساییدگی  بیش از حد را نشان می دهند، استفاده کرد.

4- ضریب انبساط حرارتی کم کاربید سیلیکون، سختی بالا و رسانایی گرمایی زیاد این ماده، آن را به یک ماده آینه ای عالی برای تلسکوپ های نجومی تبدیل کرده و از الیاف آن، معروف به رشته، برای اندازه گیری درجه حرارت گاز در یک روش نوری به نام پیرومتری رشته نازک استفاده می شود.

5- در صنعت هسته ای نیز برای تأمین پشتیبانی ساختاری در راکتورهای خنک کننده گازی که درجه حرارت بالا دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

6- در صنعت الکترونیک از سیلیکون کاربید به دلیل مقاومت بالایی که از خود در برابر ولتاژ بالا نشان می دهد، در بسیاری از اجزای مدار به عنوان نیمه هادی استفاده می شود، در واقع مقاومت ولتاژ SiC به میزان ۱۰ برابر بیشتر از سیلیکون معمولی است که این ویژگی موجب می شود که از آن در توسعه وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های حسگر و اینورترهای انرژی خورشیدی استفاده بسیاری داشته باشد.

7- پودرهای سیلیکون کارباید را می توان برای فرآیندهای ماشین کاری ساینده مانند سنگ زنی، سندبلاست و برش جت آب به کار برد، همچنین می توان از آن برای شکل دادن، برش دادن و پرداخت مواد دیگر استفاده کرد.

8- سختی بالایی که این ماده  از خود نشان می دهد سبب می شود که  SiC به گزینه ای عالی برای آب بندی مکانیکی، یاتاقان ها و ابزارهای برش تبدیل شود.

9- سیلیکون کارباید در برابر دمای بالا بسیار مقاوم است و تجزیه آن از 2000 درجه سانتیگراد آغاز شده، همین ویژگی سبب می شود که از آن در ساخت مواد نسوز و آجرهای آتش نشانی استفاده کرد.

10- در صنایع آزمایش توربین یا موتور، از کاربید سیلیکون جهت تشخیص گازهای قابل اشتعال و قابل احتراق و به عنوان سنسور گاز در دمای بالا استفاده می شود.   

همچنین محصولات سیلیکون کاربید در کوره ها و دستگاه های متالوژی آهنی و غیرآهنی کاربردهای بسیاری دارد که از جمله می‌توان به استفاده آن در کوره بلند ذوب آهن، دستگاه های اسیدشویی، انواع نازل های مشعل، کوره های ذوب فلزاتی مثل سرب، روی و کادمیم، کوره قائم مس کاتدی، لوله های محافظ ترموکوپل، دستگاه های زباله سوز و ساب زدن سنگ های مرمریت اشاره کرد. 

انواع سیلیکون کاربید

 کاربید سیلیکون برای استفاده در صنعت  به سه شکل تولید می شود که عبارتند از:

۱- سیلیکون کارباید واکنشی (RBSC)

۲- سیلیکون کارباید متخلخل (SSC)

۳- کاربید سیلیسیم پیوندی با نیترید (NBSC )

از انواع دیگر این ترکیب، می توان به سیلیکون کاربید پیوندی رس و سیلیکون کاربید پیوند SiAlON همچنین یک شکل کاملا خالص بخار شیمیایی سیلیکون کاربید رسوب یافته به نام CVD Silicon Carbide  اشاره کرد.

علاوه بر این کاربید سیلیکون را می توان برحسب رنگ دانه به دو گروه تقسیم کرد:

- سیلیکون کاربید سبز: از ویژگی های این نوع، خلوص بالایی آن است و از آن برای ساخت ساینده های اتصالی با باند شیشه ای استفاده میشود.

- سیلیکون کاربید سیاه: این نوع ساینده، سیاه رنگ و لبه های آن برنده است و برای سایش چدن از آن استفاده می شود، به علت بالا بودن میزان ناخالصی از این نوع برای ساخت قطعات ساینده با باند رزینی استفاده می شود.