كربيد السيليكون: التركيب الكيميائي ، الخواص والاستخدامات
كربيد السيليكون هو مادة صلبة تساهمية تتكون من الكربون والسيليكون. إنه ذو صلابة كبيرة بقيمة من 9.0 إلى 10 على مقياس Mohs ، وصيغته الكيميائية هي SiC ، مما قد يوحي بأن الكربون مرتبط بالسيليكون بواسطة رابطة تساهمية ثلاثية ، مع شحنة موجبة (+ ) في Si وشحنة سالبة (-) في الكربون (+ Si≡C-).
في الواقع ، فإن الروابط في هذا المركب مختلفة تماما. تم اكتشافه في عام 1824 بواسطة الكيميائي السويدي جون جاكوب بيرزيليوس ، بينما كان يحاول تصنيع الماس. في عام 1893 ، اكتشف العالم الفرنسي هنري ميساني معدنًا يحتوي تكوينه على كربيد السيليكون.
تم هذا الاكتشاف أثناء فحص عينات الصخور من حفرة نيزك في Devil's Canyon ، الولايات المتحدة الأمريكية. UU. سماها هذا المعدن كما المويسانتي. من ناحية أخرى ، ابتكر إدوارد جودريتش أتشسون (1894) طريقة لتجميع كربيد السيليكون ، عن طريق تفاعل الرمال أو الكوارتز عالي النقاء مع فحم الكوك.
قام جودريتش بتسمية carborundum (أو carborundium) للمنتج الذي تم الحصول عليه وأسس شركة لإنتاج المواد الكاشطة.
التركيب الكيميائي
توضح الصورة العليا التركيب المكعب والبلوري لكربيد السيليكون. هذا الترتيب هو نفس ترتيب الماس ، على الرغم من اختلافات نصف القطر الذري بين C و Si.
جميع الروابط تساهمي واتجاهي بقوة ، على عكس المواد الصلبة الأيونية وتفاعلاتها الكهروستاتيكية.
كربيد تشكل رباعي الاسطح الجزيئي. أي أن جميع الذرات مرتبطة بأربع ذرات أخرى. يتم ربط هذه الوحدات رباعية السطوح ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية ، حيث تتبنى هياكل بلورية في طبقات.
أيضًا ، تشتمل هذه الطبقات على ترتيبات بلورية خاصة بها ، وهي من ثلاثة أنواع: A و B و C.
بمعنى أن الطبقة A تختلف عن B ، والأخرى في C. وبالتالي ، فإن بلورة SiC تتكون من تكديس سلسلة من الطبقات ، تحدث الظاهرة المعروفة باسم السياسة.
على سبيل المثال ، يتكون polytype المكعب (على غرار الماس) من مجموعة من الطبقات ABC ، وبالتالي له بنية بلورية 3C.
مداخن أخرى من هذه الطبقات تولد أيضا هياكل أخرى ، من بين هذه الأشكال مجسمة الشكل والأنابيب سداسية. في الواقع ، فإن التركيبات البلورية لخلايا السبورة الحمرية ينتهي بها الأمر إلى أن تكون "اضطرابًا بلوريًا".
يتم تكوين أبسط هيكل سداسي ل SiC ، 2H (الصورة العليا) ، نتيجة لتكديس الطبقات مع تسلسل ABABA ... بعد كل طبقتين يتم تكرار التسلسل ، ومن هنا يأتي الرقم 2 من .
خصائص
الخصائص العامة
الكتلة المولية
40.11 جم / مول
مظهر
يختلف مع طريقة الحصول على المواد المستخدمة. يمكن أن يكون: بلورات الأصفر والأخضر والأزرق مسود أو قزحي الألوان.
كثافة
3.16 جم / سم 3
نقطة انصهار
2830 درجة مئوية.
معامل الانكسار
2.55.
بلورات
هناك تعدد الأشكال: بلورات سداسية αSiC وبلورات مكعب βSiC.
صلابة
9 إلى 10 على مقياس موس.
مقاومة العوامل الكيميائية
إنه مقاوم لعمل الأحماض والقلويات القوية. بالإضافة إلى ذلك ، كربيد السيليكون خامل كيميائيا .
الخواص الحرارية
- الموصلية الحرارية العالية.
- يدعم درجات حرارة كبيرة.
- الموصلية الحرارية العالية.
- معامل التمدد الحراري الخطي منخفض ، لذلك فهو يدعم درجات حرارة عالية مع تمدد منخفض.
- مقاومة للصدمات الحرارية.
الخواص الميكانيكية
- مقاومة عالية للضغط.
- مقاوم للتآكل والتآكل.
- إنها مادة خفيفة الوزن ذات قوة ومقاومة كبيرة.
- يحافظ على المقاومة المرنة في درجات الحرارة العالية.
الخواص الكهربائية
إنه أشباه الموصلات التي يمكن أن تؤدي وظائفها في درجات الحرارة العالية والفولتية القصوى ، مع تبديد بسيط من قدرتها على المجال الكهربائي.
تطبيقات
كمادة كاشطة
- كربيد السيليكون هو أشباه الموصلات القادرة على تحمل درجات الحرارة العالية ، والجهد العالي أو التدرجات الحقل الكهربائي 8 مرات أكثر من السيليكون يمكن أن تصمد. هذا هو السبب في أنه مفيد في بناء الثنائيات ، العابرين ، المكثفات وأجهزة الميكروويف ذات الطاقة العالية.
- يتم تصنيع الثنائيات الباعثة للضوء (LED) وكاشفات أجهزة الراديو الأولى (1907) مع المجمع. حاليًا ، تم استبدال كربيد السيليكون في تصنيع مصابيح LED بواسطة نيتريد الغاليوم الذي ينبعث منه ضوء أكثر من 10 إلى 100 مرة.
- في الأنظمة الكهربائية ، يتم استخدام كربيد السيليكون كموصل مانع للصواعق في أنظمة الطاقة الكهربائية ، حيث يمكنه تنظيم مقاومته من خلال تنظيم الجهد من خلاله.
في شكل سيراميك منظم
- في عملية تعرف باسم التلبيد ، يتم تسخين جزيئات كربيد السيليكون - وكذلك جزيئات الصحابة - إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة انصهار هذا الخليط. وبالتالي ، تزداد قوة وقوة الكائن الخزفي ، من خلال تشكيل روابط قوية بين الجزيئات.
- كان للسيراميك الهيكلي لكربيد السيليكون مجموعة واسعة من الاستخدامات. يتم استخدامها في أقراص الفرامل وفي براثن السيارات ، وفي مرشحات الجسيمات الموجودة في الديزل وكإضافة في الزيوت لتقليل الاحتكاك.
- أصبحت استخدامات السيراميك كربيد السيليكون الهيكلي واسعة الانتشار في الأجزاء المعرضة لدرجات حرارة عالية. على سبيل المثال ، هذه هي حالة حلق محقن الصواريخ وبكرات الأفران.
- مزيج من الموصلية الحرارية العالية ، وصلابة والاستقرار في درجات حرارة عالية يجعل مكونات أنابيب مبادل حراري مع كربيد السيليكون.
- يتم استخدام السيراميك الإنشائي في محاقن السفع الرملي وأختام السيارات لمضخات المياه والمحامل وموت البثق. كما أنه يشكل مادة البوتقات المستخدمة في صهر المعادن.
- هو جزء من عناصر التسخين المستخدمة في ذوبان الزجاج والمعادن غير الحديدية ، وكذلك في المعالجة الحرارية للمعادن.
استخدامات أخرى
- يمكن استخدامها في قياس درجة حرارة الغاز. في تقنية تُعرف باسم البيروميت ، يتم تسخين خيوط كربيد السيليكون وتصدر إشعاعات مرتبطة بدرجة الحرارة في حدود 800-2500 كرونة.
- يستخدم في المنشآت النووية لمنع تسرب المواد الناتجة عن الانشطار.
- في إنتاج الصلب يستخدم كوقود.
