Силициев карбид: Химическа структура, свойства и употреба

Силициевият карбид е ковалентно твърдо вещество, образувано от въглерод и силиций. Той е с голяма твърдост със стойност от 9.0 до 10 по скалата на Моос, а химичната му формула е SiC, което може да предполага, че въглеродът е свързан със силиций с тройна ковалентна връзка, с положителен заряд (+ ) в Si и отрицателен заряд (-) в въглерода (+ Si≡C-).

Всъщност, връзките в това съединение са напълно различни. Открит е през 1824 г. от шведския химик Йон Якоб Берцелиус, докато се опитва да синтезира диаманти. През 1893 г. френският учен Хенри Муасани открил минерал, чийто състав съдържал силициев карбид.

Това откритие е направено при изследване на скални проби от метеоритен кратер в Дяволския каньон, САЩ. UU. Той посочи този минерал като муасинат. От друга страна, Edward Goodrich Acheson (1894) създава метод за синтезиране на силициев карбид чрез реагиране на пясъци или кварц с висока чистота с петролен кокс.

Goodrich нарича карборунд (или карборндиум) на продукта, който е получил и основава компания за производство на абразиви.

Химическа структура

Горното изображение илюстрира кубичната и кристалната структура на силициевия карбид. Тази подредба е същата като тази на диаманта, въпреки разликите в атомните радиуси между С и Si.

Всички връзки са силно ковалентни и насочени, за разлика от йонните твърди вещества и техните електростатични взаимодействия.

SiC образува молекулярни тетраедри; всички атоми са свързани с четири други. Тези тетраедрични единици са свързани помежду си чрез ковалентни връзки, като приемат кристални структури в слоеве.

Също така, тези слоеве имат свои собствени кристални подреждания, които са три вида: A, B и C.

Това означава, че слой А е различен от В, а последният е на C. По този начин кристалът на SiC се състои от натрупване на поредица от слоеве, появявайки явлението, известно като политипизъм.

Например, кубичният политип (подобен на този на диаманта) се състои от купчина от слоеве ABC и следователно има кристална структура ЗС.

Други купчини от тези слоеве генерират и други структури, сред тези ромбоедрични и хексагонални политипове. Всъщност кристалните структури на SiC в крайна сметка са "кристално разстройство".

Най-простата шестоъгълна структура за SiC, 2H (горното изображение), се формира в резултат на подреждането на слоевете с ABABA последователността ... След всеки два слоя последователността се повтаря, а оттам идва номер 2,

свойства

Общи свойства

Моларна маса

40, 11 g / mol

вид

Варира се по метода на получаване и използваните материали. Тя може да бъде: жълто, зелено, черно-синьо или преливащи се кристали.

плътност

3.16 g / cm3

Точка на топене

2830 ° С.

Индекс на пречупване

2.55.

кристали

Има полиморфизъм: αSiC хексагонални кристали и βSiC кубични кристали.

твърдост

9 до 10 по скалата на Моос.

Устойчивост на химични агенти

Устойчив е на силни киселини и основи. В допълнение, силициевият карбид е химически инертен .

Термични свойства

- Висока топлопроводимост.

- Поддържа високи температури.

- Висока топлопроводимост.

- Коефициент на линейно топлинно разширение нисък, така че поддържа високи температури с ниско разширение.

- Устойчив на топлинен удар.

Механични свойства

- Висока устойчивост на натиск.

- Устойчив на износване и корозия.

- Това е лек материал с голяма сила и устойчивост.

- Поддържа еластичната си устойчивост при високи температури.

Електрически свойства

Това е полупроводник, който може да изпълнява функциите си при високи температури и екстремни напрежения, с малко разсейване на силата си към електрическото поле.

приложения

Като абразив

- Силициевият карбид е полупроводник, способен да издържа на високи температури, високо напрежение или градиенти на електрическото поле 8 пъти повече, отколкото силиконът може да издържи. Затова е полезна при изграждането на диоди, преходни процеси, супресори и високо енергийни микровълнови устройства.

- Създадени са светодиоди (LED) и детектори на първите радиостанции (1907). В момента силициевият карбид е заменен при производството на LED крушки от галиев нитрид, който излъчва светлина от 10 до 100 пъти по-ярка.

- В електрическите системи силициевият карбид се използва като гръмоотвод в електроенергийните системи, тъй като те могат да регулират съпротивлението си чрез регулиране на напрежението през него.

Под формата на структурирана керамика

- В процес, известен като синтероване, частиците на силициевия карбид - както и тези на спътниците - се нагряват до температура, по-ниска от температурата на топене на тази смес. По този начин, силата и силата на керамичния обект се увеличава чрез образуването на силни връзки между частиците.

- Структурната керамика от силициев карбид е имала широка употреба. Те се използват в дискови спирачки и в съединители на моторни превозни средства, в филтри за частици, присъстващи в дизеловото гориво и като добавка в масла за намаляване на триенето.

- Използването на структурна керамика от силициев карбид е широко разпространено в частите, изложени на високи температури. Например, това е случаят с гърлото на инжекторите на ракетата и ролките на пещите.

- Комбинацията от висока топлопроводимост, твърдост и стабилност при високи температури прави компонентите на топлообменните тръби със силициев карбид.

- Структурната керамика се използва в инжекторите за пясъкоструйни инжекции, автомобилните уплътнения на водните помпи, лагерите и екструзионните матрици. Също така представлява материал за тигелите, използвани при топенето на метали.

- Тя е част от нагревателните елементи, използвани при топенето на стъкло и цветни метали, както и при топлинната обработка на метали.

Други приложения

- Може да се използва при измерване на температурата на газа. В техника, известна като пирометрия, силициево-карбидната нишка се нагрява и излъчва радиация, която корелира с температурата в диапазона от 800-2500 ºK.

- Използва се в ядрени централи, за да се предотврати изтичане на материал, произведен от делене.

- При производството на стомана се използва като гориво.