Vật liệu cacbua silic
Cacbua silic là một nguyên liệu thô quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại. Có các ứng dụng bao gồm gốm SiC tiên tiến, mài mòn, chống trượt, bán dẫn ,… Hãy xem nó được phát triển như thế nào.
Xếp hạng nguyên tử KHÔNG. của cacbon và silic là 6 và 14. Tương ứng, chúng nằm ở chu kỳ thứ hai và thứ ba của các nguyên tố nhóm cacbon trong bảng tuần hoàn. Mối quan hệ vị trí này có nghĩa là chúng có các tính chất tương tự ở một số khía cạnh.
Carbon có mặt ở khắp nơi trong cuộc sống của chúng ta, và các hợp chất chứa carbon là cơ sở vật chất của sự sống. Silicon cũng có nhiều trong vỏ trái đất, đặc biệt là ứng dụng của nó trong chất bán dẫn và thông tin liên lạc hiện đại đã thúc đẩy sự phát triển của nền văn minh nhân loại.
Trong thế giới hóa học, cacbon và silic giống như anh em cùng một nhà. Họ đã cùng tồn tại hàng tỷ năm trên trái đất, nhưng không hình thành nên một tình bạn sống chết bền chặt. Quặng silic cacbua trong tự nhiên rất hiếm.
Năm 1824, nhà khoa học Thụy Điển Jons Jakob Berzelius đã quan sát thấy sự tồn tại của cacbua silic (SiC) khi tổng hợp kim cương, điều này đã mở đầu cho quá trình nghiên cứu của con người về vật liệu cacbua silic. Cho đến năm 1891, EG Acheson người Mỹ vô tình có được cacbua silic khi ông đang thực hiện thí nghiệm kim cương nung chảy. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học cho rằng vật chất đó là hỗn hợp của kim cương. Vì vậy, họ gọi là silic cacbua nhám.
Năm 1893, Acheson đã phát triển một phương pháp nấu chảy công nghiệp silic cacbua, phương pháp này thường được gọi là lò Acheson, được sử dụng cho đến ngày nay. Phương pháp này giống như lò điện trở với vật liệu cacbon làm thân lõi, và hỗn hợp thạch anh SiO2 và cacbon được đốt nóng bằng điện để tạo ra cacbua silic.
Các nguyên tố C và Si, đã liên kết với nhau để làm cho silic cacbua trở thành một vật liệu có nhiều tính chất hóa học và vật lý tuyệt vời:
tính trơ hóa học vượt trội
độ cứng cao
cường độ cao
hệ số giãn nở nhiệt thấp
độ dẫn nhiệt cao
loại bán dẫn
Cacbua silic tinh khiết là một loại tinh thể trong suốt. Cacbua silic công nghiệp có màu vàng nhạt, xanh lục, xanh lam, hoặc thậm chí đen do loại và hàm lượng tạp chất. Trong khi đó, độ trong suốt thay đổi theo độ tinh khiết của nó. Cấu trúc tinh thể của cacbua silic được chia thành α-SiC lục giác hoặc hình thoi và β-SiC lập phương (cacbit silic khối). Α-SiC tạo thành nhiều biến thể khác nhau do cấu trúc xếp chồng khác nhau của C và Si. Có hơn 70 loại SiC.
Ứng dụng phổ biến của vật liệu cacbua silic là gốm cacbua silic. Nó có các đặc điểm của độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn cao và độ bền nhiệt độ cao. Ngày nay, ứng dụng của cacbua silic đã phát triển từ những vật liệu mài mòn sớm nhất cho nhiều lĩnh vực như vòng bi, chất bán dẫn, hàng không vũ trụ và hóa học. Do diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hóa chất và thành trong của vi kênh cao, nên lò phản ứng có yêu cầu rất khắt khe về chất liệu của thành trong. Lò phản ứng vi kênh cũng đã trở thành một ứng dụng quan trọng của cacbua silic.