الاسم والهوية الكيميائية
الحروف SiC هي الرموز الكيميائية للسيليكون والكربون، لذا فإن SiC هو كربيد السيليكون، وهو مركب تساهمي من العنصرين بنسبة واحد إلى واحد وبكتلة مولية تبلغ حوالي 40 جرامًا لكل مول. ويتواجد بشكل طبيعي في حالات نادرة فقط، مثل معدن المويسانتي، وجميع المواد التجارية بشكل أساسي هي مواد اصطناعية. كربيد السيليكون شديد الصلابة، حيث تتراوح صلابة موس حوالي 9 إلى 9.5 وصلابة نوب بالقرب من 2500، ويحتفظ بالقوة عند درجة حرارة عالية ويقاوم الأكسدة بسبب تشكل طبقة سيليكا واقية على سطحه. وتبلغ كثافته النظرية حوالي 3.21 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهو شبه موصل للكهرباء في صورته النقية، وهو أساس استخدامه في إلكترونيات الطاقة.
كيف يتم إنتاج كربيد السيليكون
يتم تصنيع كربيد السيليكون بكميات كبيرة في فرن أتشيسون، حيث يتم تسخين خليط من رمل الكوارتز عالي النقاء والكربون، عادة فحم الكوك، عن طريق تمرير التيار عبر قلب الجرافيت حتى تصل الشحنة إلى درجة حرارة التفاعل فوق 2000 درجة مئوية. ويتشكل المنتج على شكل سبيكة كبيرة يتم سحقها وطحنها وغربلتها وتصنيفها، وتكون العملية كثيفة الاستخدام للطاقة، ولهذا السبب يتركز إنتاج كربيد السيليكون حيث تكون الطاقة رخيصة. يتم تصنيع المساحيق الدقيقة للسيراميك وأعمال أشباه الموصلات بطرق أخرى، بما في ذلك تفاعل السيليكون مع عمليات طور الكربون والبخار التي تعطي مادة عالية النقاء للغاية مع التحكم في حجم الجسيمات.
درجات جلخ باللونين الأسود والأخضر
الدرجتان الكاشطة المألوفتان هما كربيد السيليكون الأسود، المصنوع من رمل الكوارتز وفحم الكوك البترولي وغالبًا ما يحتويان على محتوى أقل من كربيد السيليكون الذي يناسب الأعمال ذات الأغراض العامة، وكربيد السيليكون الأخضر، المصنوع من شحنة أنقى تنتج محتوى كربيد السيليكون أعلى وحبوب أكثر وضوحًا وهشاشة. تُستخدم الحبوب السوداء في الحديد الزهر والحجر والزجاج والمعادن غير الحديدية في التفجير وعجلات الطحن والمواد الكاشطة المطلية، بينما تُفضل الحبوب الخضراء في الكربيد الأسمنتي وغيرها من المواد الصلبة والهشة وفي الأعمال التي يجب أن يكون توليد الحرارة فيها محدودًا. يتم تصنيف كلاهما في أحجام شبكية، حيث يحدد كل رقم شبكي نطاق حجم الجسيمات، ويحدد محتوى كربيد السيليكون في الدرجة مقدار المعادن غير الكاشطة الموجودة.
الأشكال المقاومة للحرارة والسيراميك
يستخدم كربيد السيليكون في الحراريات كمادة خام للطوب والمصبوبات وأثاث الفرن بسبب الموصلية الحرارية العالية، ومقاومته للصدمات الحرارية والاستقرار الكيميائي. إن موصليتها الحرارية العالية وقوتها العالية في درجات الحرارة تجعلها ذات قيمة في المبادلات الحرارية وفي مكونات الموقد. يعمل سيراميك كربيد السيليكون الملبد والمترابط كأختام ميكانيكية، ومكونات المضخة، وألواح التآكل، والفوهات، والدروع، حيث تكون الصلابة ومقاومة التآكل هي الخصائص المحددة. يتم تصنيع المواد المرتبطة بالتفاعل عن طريق تسلل كربيد السيليكون وتشكيل الكربون مع السيليكون المنصهر، بينما يتم تكثيف المواد الملبدة بالمواد المضافة، وتعطي العمليتان خصائص مسامية وقوة وتكلفة مختلفة.
استخدامات الكهرباء وأشباه الموصلات
كربيد السيليكون هو من أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة، وقدرته على العمل بجهد عالي ودرجة حرارة عالية مع فقدان تبديل منخفض جعلته مهمًا في إلكترونيات الطاقة. يتم بناء الأجهزة على رقائق أحادية البلورية يتم إنتاجها من مسحوق عالي النقاء عن طريق نقل البخار الفيزيائي، ويجب أن تفي الرقائق بحدود صارمة للغاية فيما يتعلق بعيوب الأنابيب الدقيقة، والاضطرابات، وتركيز الدوبانت. يتم استخدام نفس المسحوق عالي النقاء في صناعة السيراميك من فئة أشباه الموصلات وفي عناصر التسخين الموجودة في الأفران ذات درجة الحرارة العالية. في جميع هذه الاستخدامات، تكون متطلبات النقاء أكبر بكثير من متطلبات المواد الكاشطة، ولهذا السبب يختلف سعر الكيلوجرام حسب الحجم بين حبيبات التفجير والرقائق الإلكترونية.
الأسئلة المتداولة
س: ما الذي يعنيه SiC؟
يرمز SiC إلى كربيد السيليكون، وهو مركب السيليكون والكربون، والحروف هي ببساطة الرموز الكيميائية للعنصرين بنسبة واحد إلى واحد.
س: ما هو كربيد السيليكون المستخدم؟
يتم استخدامه كمادة كاشطة للطحن والتفجير، وكمادة خام حرارية، وكسيراميك هيكلي للأختام وأجزاء التآكل، وكمادة شبه موصل ذات فجوة نطاق واسعة في إلكترونيات الطاقة.
س: ما الفرق بين كربيد السيليكون الأسود والأخضر؟
تصنع الحبوب السوداء من شحنة أقل نقاءً وتناسب الأعمال الكاشطة العامة على الحديد الزهر والحجر والمعادن غير الحديدية، في حين أن الحبوب الخضراء أكثر نقاءً وحدّةً ومفضلة للمواد الصلبة مثل الكربيد الأسمنتي.
س: ما مدى صعوبة كربيد السيليكون؟
تبلغ صلابته على مقياس موس حوالي 9 إلى 9.5 وصلابة نوب بالقرب من 2500، مما يضعه بين أصعب المواد الصناعية السائبة بعد الماس ونيتريد البورون المكعب.
س: هل كربيد السيليكون طبيعي أم صناعي؟
تقريبا كل كربيد السيليكون التجاري صناعي، ويتم إنتاجه في فرن أتشيسون من رمل الكوارتز والكربون، على الرغم من وجود شكل طبيعي نادر مثل معدن المويسانتي.
س: لماذا يعتبر كربيد السيليكون من الدرجة الإلكترونية باهظ الثمن؟
لأنه يجب زراعة رقائق أشباه الموصلات من مسحوق عالي النقاء وتلبية حدود صارمة للغاية فيما يتعلق بالعيوب البلورية والمواد المشابهة، بما يتجاوز بكثير متطلبات المواد الكاشطة أو المقاومة للحرارة.