KARBID KŘEMÍKU: CHEMICKÁ STRUKTURA, VLASTNOSTI A POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Karbid křemíku je pevný kovalentní sestávající z uhlíku a křemíku. Je to velmi těžké s hodnotou 9,0 až 10 na Mohsově stupnici a jeho chemický vzorec je SiC, což může naznačovat, že uhlík je vázán na křemík kovalentní trojnou vazbou, s kladným nábojem (+) na Si a záporný náboj (-) na uhlíku (⁺ Si≡C ^-).

Ve skutečnosti jsou vazby v této směsi úplně odlišné. Objevil jej v roce 1824 švédský chemik Jön Jacob Berzelius, zatímco se pokoušel syntetizovat diamanty. V roce 1893 objevil francouzský vědec Henry Moissani minerál, jehož složení obsahovalo karbid křemíku.

Tento objev byl proveden při zkoumání vzorků hornin z kráteru meteoritu v Ďáblově kaňonu v USA. Tento minerální moissanit jmenoval. Na druhé straně, Edward Goodrich Acheson (1894) vytvořil metodu pro syntézu karbidu křemíku a reagoval na vysoce čistý písek nebo křemen s ropným koksem.

Goodrich nazval produkt získaný carborundum (nebo carborundium) a založil společnost na výrobu brusiv.

Chemická struktura

Horní obrázek ilustruje kubickou a krystalickou strukturu karbidu křemíku. Toto uspořádání je stejné jako u diamantu, a to i přes rozdíly v atomových poloměrech mezi C a Si.

Všechny vazby jsou silně kovalentní a směrové, na rozdíl od iontových pevných látek a jejich elektrostatických interakcí.

SiC tvoří molekulární tetraedru; to znamená, že všechny atomy jsou spojeny se čtyřmi dalšími. Tyto tetrahedrální jednotky jsou spojeny kovalentními vazbami, které přijímají vrstvené krystalické struktury.

Také tyto vrstvy mají své vlastní uspořádání krystalů, které jsou tří typů: A, B a C.

Jinými slovy, vrstva A je odlišná od vrstvy B a druhá z vrstvy C. Krystal SiC tedy sestává ze stohování sekvence vrstev, k tomuto jevu dochází jako polytypismus.

Například, krychlový polytyp (podobný diamantu) sestává ze stohu ABC vrstev, a proto má krystalovou strukturu 3C.

Jiné hromádky těchto vrstev také vytvářejí další struktury mezi těmito romboedrickými a hexagonálními polytypy. Ve skutečnosti jsou krystalické struktury SiC „krystalickou poruchou“.

Nejjednodušší hexagonální struktura pro SiC, 2H (horní obrázek), se vytvoří v důsledku stohování vrstev se sekvencí ABABA… Po každé dvou vrstvách se sekvence opakuje a odtud pochází číslo 2.

Vlastnosti

Obecné vlastnosti

Molární hmotnost

40,11 g / mol

Vzhled

Liší se podle způsobu získávání a použitých materiálů. Může to být: žluté, zelené, načernalé modré nebo duhové krystaly.

Hustota

3,16 g / cm3

Bod tání

2830 ° C

Index lomu

2,55.

Krystaly

Existují polymorfismy: hexagonální krystaly αSiC a kubické krystaly βSiC.

Tvrdost

9 až 10 na Mohsově stupnici.

Odolnost proti chemickým látkám

Je odolný vůči působení silných kyselin a zásad. Karbid křemíku je také chemicky inertní .

Tepelné vlastnosti

- Vysoká tepelná vodivost.

- Odolává vysokým teplotám.

- Vysoká tepelná vodivost.

- Nízký koeficient lineární tepelné roztažnosti, takže podporuje vysoké teploty s nízkou roztažností.

- Odolnost proti tepelným šokům.

Mechanické vlastnosti

- Vysoká odolnost vůči stlačení.

- Odolnost proti otěru a korozi.

- Je to lehký materiál s velkou pevností a odolností.

- Udržuje svou elastickou odolnost při vysokých teplotách.

Vlastnosti

Je to polovodič, který může plnit své funkce při vysokých teplotách a extrémním napětí, s malým rozptylem své energie do elektrického pole.

Aplikace

Jako brusivo

- Karbid křemíku je polovodič schopný odolávat vysokým teplotám, vysokému napětí nebo gradientům elektrického pole 8krát více než může křemík. Z tohoto důvodu je užitečná při konstrukci diod, transduktorů, supresorů a mikrovlnných zařízení s vysokou energií.

- Se směsí se vyrábějí diody emitující světlo (LED) a detektory prvních rádií (1907). V současné době byl karbid křemíku při výrobě LED žárovek nahrazen nitridem gallia, který vyzařuje 10 až 100krát jasnější světlo.

- V elektrických systémech je karbid křemíku používán jako hromosvod v elektrických energetických systémech, protože mohou regulovat jeho odpor regulováním napětí přes něj.

Ve formě strukturované keramiky

- V procesu známém jako slinování se částice karbidu křemíku - stejně jako částice společníků - zahřívají na teplotu nižší než je teplota tání této směsi. Zvyšuje tak odpor a pevnost keramického předmětu vytvářením silných vazeb mezi částicemi.

- Strukturální keramika z karbidu křemíku měla širokou škálu aplikací. Používají se v kotoučových brzdách a spojkách motorových vozidel, ve filtrech pevných částic a jako přísada do olejů ke snížení tření.

- Použití strukturální keramiky z karbidu křemíku se rozšířilo v částech vystavených vysokým teplotám. To je například případ hrdla vstřikovačů raket a válců pecí.

- Kombinace vysoké tepelné vodivosti, tvrdosti a vysoké teplotní stability činí součásti trubek tepelných výměníků vyrobených z karbidu křemíku.

- Strukturální keramika se používá v vstřikovacích tryskách, ucpávkách vodních čerpadel automobilu, ložiscích a vytlačovacích lisech. Je to také materiál pro kelímky, který se používá při tavení kovů.

- Je součástí topných těles používaných při tavení skla a barevných kovů, jakož i při tepelném zpracování kovů.

Další použití

- Může být použit při měření teploty plynů. V technice známé jako pyrometrie se vlákno z karbidu křemíku zahřívá a vyzařuje záření, které koreluje s teplotou v rozmezí 800 - 2500 ° K.

- Používá se v jaderných elektrárnách k zabránění úniku materiálu vznikajícího štěpením.

- Při výrobě oceli se používá jako palivo.

Reference

1. Nicholas G. Wright, Alton B. Horsfall. Karbid křemíku: Návrat starého přítele. Material Matters Svazek 4 Článek 2. Citováno z 5. května 2018, z: sigmaaldrich.com
2. John Faithfull. (Únor 2010). Krystaly karborundu. Citováno z 5. května 2018, z: commons.wikimedia.org
3. Charles a Colvard. Polytypismus a moissanit. Citováno z 5. května 2018, z: moissaniteitalia.com
4. Materialcientist. (2014). Struktura SiC2H.. Citováno z 5. května 2018, z: commons.wikimedia.org
5. Wikipedia. (2018). Karbid křemíku. Citováno z 5. května 2018, z: en.wikipedia.org
6. Navarro SiC. (2018). Karbid křemíku. Citováno z 5. května 2018, z: navarrosic.com
7. University of Barcelona. Karbid křemíku, SiC. Citováno z 5. května 2018, z: ub.edu
8. CarboSystem. (2018). Karbid křemíku. Citováno z 5. května 2018, z: carbosystem.com