Węglik krzemu: struktura chemiczna, właściwości i zastosowania

Węglik krzemu jest kowalencyjnym ciałem stałym utworzonym przez węgiel i krzem. Ma dużą twardość o wartości od 9, 0 do 10 w skali Mohsa, a jego wzór chemiczny to SiC, co może sugerować, że węgiel wiąże się z krzemem przez potrójne wiązanie kowalencyjne, z dodatnim ładunkiem (+ ) w Si i ładunek ujemny (-) w węglu (+ Si≡C-).

W rzeczywistości linki w tym związku są zupełnie inne. Został odkryty w 1824 roku przez szwedzkiego chemika Jona Jacoba Berzeliusa, próbując syntetyzować diamenty. W 1893 roku francuski naukowiec Henry Moissani odkrył minerał, którego skład zawierał węglik krzemu.

Odkrycie to zostało dokonane podczas badania próbek skał z krateru meteorytu w Devil's Canyon, USA. UU Nazwał ten minerał moissanite. Z drugiej strony Edward Goodrich Acheson (1894) opracował metodę syntezy węglika krzemu poprzez reakcję piasków lub kwarcu o wysokiej czystości z koksem naftowym.

Goodrich określił karborund (lub karborund) w otrzymanym produkcie i założył firmę produkującą materiały ścierne.

Struktura chemiczna

Górny obraz ilustruje sześcienną i krystaliczną strukturę węglika krzemu. Ten układ jest taki sam jak diament, pomimo różnic promieni atomowych między C i Si.

Wszystkie wiązania są silnie kowalencyjne i kierunkowe, w przeciwieństwie do ciał stałych jonowych i ich oddziaływań elektrostatycznych.

SiC tworzy czworościany molekularne; to znaczy wszystkie atomy są połączone z czterema innymi. Te czworościenne jednostki są połączone wiązaniami kowalencyjnymi, przyjmując warstwy krystaliczne.

Ponadto warstwy te mają własne układy kryształów, które są trzech typów: A, B i C.

To znaczy, że warstwa A jest inna niż B, a ta druga jest w C. Zatem kryształ SiC polega na układaniu sekwencji warstw, występując w zjawisku znanym jako politipizm.

Na przykład sześcienny polityp (podobny do diamentu) składa się ze stosu warstw ABC, a zatem ma strukturę krystaliczną 3C.

Inne stosy tych warstw generują również inne struktury, wśród tych romboedrycznych i sześciokątnych politpów. W rzeczywistości struktury krystaliczne SiC kończą się „zaburzeniem krystalicznym”.

Najprostsza sześciokątna struktura SiC, 2H (górny obraz), powstaje w wyniku ułożenia warstw z sekwencją ABABA ... Po każdej z dwóch warstw sekwencja się powtarza, i stąd właśnie pochodzi liczba 2,

Właściwości

Ogólne właściwości

Masa molowa

40, 11 g / mol

Wygląd

Różni się od metody otrzymywania i użytych materiałów. Może to być: żółte, zielone, czarnoniebieskie lub opalizujące kryształy.

Gęstość

3, 16 g / cm3

Temperatura topnienia

2830 ° C.

Współczynnik załamania światła

2.55.

Kryształy

Istnieje polimorfizm: kryształy heksagonalne αSiC i kryształy βSiC sześcienne.

Twardość

9 do 10 w skali Mohsa.

Odporność na czynniki chemiczne

Jest odporny na działanie silnych kwasów i zasad. Ponadto węglik krzemu jest chemicznie obojętny .

Właściwości termiczne

- Wysoka przewodność cieplna.

- Obsługuje świetne temperatury.

- Wysoka przewodność cieplna.

- Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej liniowej, dzięki czemu wspiera wysokie temperatury przy niskiej rozszerzalności.

- Odporny na szok termiczny.

Właściwości mechaniczne

- Wysoka odporność na ściskanie.

- Odporny na ścieranie i korozję.

- Jest to lekki materiał o dużej wytrzymałości i odporności.

- Utrzymuje elastyczność oporu w wysokich temperaturach.

Właściwości elektryczne

Jest to półprzewodnik, który może spełniać swoje funkcje w wysokich temperaturach i ekstremalnych napięciach, przy niewielkim rozproszeniu swojej mocy do pola elektrycznego.

Używa

Jako ścierniwo

- Węglik krzemu jest półprzewodnikiem zdolnym wytrzymać wysokie temperatury, wysokie napięcie lub gradienty pola elektrycznego 8 razy więcej niż krzem może wytrzymać. Dlatego jest przydatny w budowie diod, transjentów, tłumików i wysokoenergetycznych urządzeń mikrofalowych.

- Diody elektroluminescencyjne (LED) i detektory pierwszych radiotelefonów (1907) są produkowane ze związkiem. Obecnie węglik krzemu został zastąpiony w produkcji żarówek LED azotkiem galu, który emituje światło od 10 do 100 razy jaśniejsze.

- W układach elektrycznych węglik krzemu jest używany jako piorunochron w systemach elektroenergetycznych, ponieważ mogą one regulować ich rezystancję poprzez regulację napięcia przez nią.

W postaci ceramiki strukturalnej

- W procesie znanym jako spiekanie cząstki węglika krzemu - podobnie jak cząstki towarzyszące - są podgrzewane do temperatury niższej niż temperatura topnienia tej mieszaniny. W ten sposób siła i wytrzymałość przedmiotu ceramicznego wzrasta, tworząc silne wiązania między cząstkami.

- Ceramika strukturalna węglika krzemu ma szeroki zakres zastosowań. Są one stosowane w hamulcach tarczowych i sprzęgłach pojazdów silnikowych, w filtrach cząstek stałych obecnych w oleju napędowym oraz jako dodatek w olejach w celu zmniejszenia tarcia.

- Zastosowanie ceramiki strukturalnej z węglika krzemu stało się powszechne w częściach narażonych na wysokie temperatury. Na przykład jest to przypadek gardła wtryskiwaczy rakietowych i rolek pieców.

- Połączenie wysokiej przewodności cieplnej, twardości i stabilności w wysokich temperaturach stanowi elementy rur wymiennika ciepła z węglikiem krzemu.

- Ceramika strukturalna jest stosowana w wtryskiwaczach piaskowanych, samochodowych uszczelnieniach pomp wodnych, łożyskach i matrycach do wytłaczania. Stanowi również materiał tygli, używany do topienia metali.

- Jest częścią elementów grzewczych stosowanych do topienia szkła i metali nieżelaznych, a także do obróbki cieplnej metali.

Inne zastosowania

- Może być używany do pomiaru temperatury gazu. W technice znanej jako pirometria włókno węglika krzemu jest ogrzewane i emituje promieniowanie, które koreluje z temperaturą w zakresie 800-2500 ° K.

- Jest stosowany w elektrowniach jądrowych, aby zapobiec wyciekowi materiału wytworzonego przez rozszczepienie.

- W produkcji stali jest używany jako paliwo.