سیلیکون کارباید

با سلام خدمت همراهان همیشگی پارس بوته با یکی دیگر از سری مقالات آموزشی در خدمت شما هستیم. شاید شما هم اسم سیلیکون کارباید را شنیده باشید ولی با ویژگی ها و کاربردهای آن اشنایی ندارید. سیلیکون کارباید (Silicon carbide)  یا به اختصار  SiC در واقع یک ترکیب شیمیایی سخت حاوی سیلیکون و کربن است که در طبیعت به مقدار کمی وجود دارد.

سیلیکون کارباید توسط مخترع آمریکایی، ادوارد گودریچ آچسون  (Edward Goodrich Acheson) در حین تلاش برای تولید الماس مصنوعی کشف شد. گودریچ مخلوطی از خاک رس و پودر کک را در ظرفی آهنی گرم کرد و از یک الکترود کربنی استفاده کرد.

او در ادامه آزمایشش کریستال های سبز روشنی را یافت که به الکترود متصل شده بودند و معتقد بود که ترکیب جدیدی از کربن و آلومینا را از خاک رس تهیه کرده است. پس ترکیب جدید را کربوراندوم (Carborundum) نامید زیرا شکل معدنی طبیعی آن آلومینا کوراندوم نامیده می شود.

درحقیقت او هنگاهی به اهمیت کشف خود پی برد که فهمید کریستال ها تقریباً به سختی الماس هستند پس بلافاصله برای ثبت اختراعش درخواست داد.

اما اولین استفاده از SiC به عنوان یک ساینده بود و در واقع زمینه سازی برای شروع استفاده های دیگر از آن شد. این ترکیب امروزه به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به سختی بالا دارند، مانند ترمز و کلاچ خودروها، صفحات سرامیکی که در جلیقه های ضد گلوله استفاده می شوند و… کاربرد دارد.

ساخت سیلیکون کارباید

اما با ما همراه باشید تا با روش ساخت سیلیکون کارباید آشنا شوید. ساده ترین و بهترین روش تولید SiC شامل ذوب ماسه سیلیس و کربن، مثل ذغال سنگ، در دمای بالای 2500 درجه سانتیگراد است.

آن ها اغلب حاوی ناخالصی آهن و کربن و به رنگ تیره وجود دارند اما کریستال‌های SiC خالص بی‌رنگ هستند و زمانی تشکیل می‌شوند که در دمای ۲۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تصعید شود. پس از آن، این کریستال ها در فرآیندی به نام روش لیلی در دمای پایین تر روی گرافیت رسوب می کنند.

روش لیلی (Lily’s method) : در این فرآیند، یک بوته گرانیتی تا دمای بالا به صوذت القایی حرارت داده می شود تا پودر سیلیکون کارباید تصعید شود. یک میله گرافیتی با دمای پایین در این مخلوط معلق است و اجازه می دهد تا سیلیکون کاربید خالص رسوب کرده و کریستال ها را تشکیل دهند.

کاربرد سیلیکون کارباید

در اواخر قرن نوزدهم میلادی، سیلیکون کارباید ماده مهمی در ساخت چرخ های آسیاب ، سنباده ها و ابزارهای برش بوده است. در چند سال اخیر هم در پوشش‌های نسوز و بوته های گرمایشی برای کوره‌های صنعتی، قسمت‌هایی که در برابر خوردگی مقاوم هستند و موتورهای موشکی کاربرد دارند.

نسوز

رسانایی حرارتی بالای این ماده همراه با استحکام در دمای بالا، آن را به بهترین گزینه برای تولید بوته ریخته گری تبدیل کرده است. این بوته ها برای ذوب فلزات در کوره های القایی مناسب هستند و در دماهای بالا تا 1600 درجه سانتیگراد استفاده می شوند.

آن ها در هنگام ذوب فلزات می توانند دمای یکنواخت و ثابت را فراهم کرده و در عین حال دارای استحکام و مقاومت بالایی در برابر ترک باشند. دمای یکنواخت باعث ذوب فلزات با کیفیت بالا می شود و برای ریخته گری محصولات فلزی با ماندگاری و کیفیت خوب مورد استفاده قرار می گیرد.

این بوته ها دارای ویژگی هایی مثل

• هدایت حرارتی بالا
• استحکام خوب
• انبساط حرارتی کم
• مقاومت در برابر اکسیداسیون
• مقاومت در برابر شوک حرارتی،
• سختی بالا
• و مقاومت در برابر سایش هستند.

ساینده

سیلیکون کارباید اغلب به عنوان یک ساینده سست یا سخت در بسیاری از صنایع کاربرد دارد. این ماده به دلیل دوام بالا و هزینه تولید کم یکی از لوازم برای ساخت جواهرات مدرن است و برای سایش آن ها استفاده می شود اما کاربردهای دیگری مثل واترجت و سندبلاست هم دارد. ساینده های SiC بسته به کاربرد مورد نظرشان به اشکال مختلفی وجود دارند.

انواع سازه ها

اما کارباید سلیکون در ساخت صفحات سرامیکی که در جلیقه های ضد گلوله وجود دارد کاربرد داشته به طوری که بزرگترین برندهای ساخت این جلیقه ها مثل Dragon skin  از دیسک هایی با این جنس استفاده می کند. همچنین از SiC به عنوان نگه دارند در کوره های ذوبی که دمای بالایی دارند استفاده می شود و بسیار سبک تر و بادوام تر از قفسه های سنتی هستند.

تلسکوپ های نجومی

انبساط حرارتی کم این ماده، هدایت حرارتی بالا و سختی زیاد سیلیکون کارباید، آن را به متریال آینه ای مناسب برای تلسکوپ های نجومی تبدیل کرده و امروزه در بسیاری از آن ها کاربرد دارد.

سیستم های الکتریکی

یکی از کاربردهای اصلی سیلیکون کارباید به عنوان حفاظت از صاعقه گیرها است. این مقاومت باید آن قدری بالا باشد تا زمانی که ولتاژ دوطرف به آستانه مشخصی رسید این جریان را به سطح پایین تری کاهش دهد. در این جا این ماده به عنوان یک قطب عمل کرده و به جریان اجازه می دهد خودش را به زمین برساند.

سیستم های خورشیدی

درصنعت سیستم های خورشیدی، بهینه سازی اینورتر با SiC نقش مهمی در کارایی و صرفه جویی هزینه ها ایفا می کند. استفاده از این ماده دراینورترهای خورشیدی، فرکانس سوئیچینگ سیستم را دو تا سه برابر سیلیکون استاندارد افزایش می دهد.

یکی دیگر از عوامل مهمی که باعث می شود سازندگان و مهندسان خورشیدی به استفاده از سیلیکون کارباید به جای سایر مواد مانند نیترید گالیم (GaN ) روی آورند، دوام و اطمینان آن است. این قابلیت به سیستم های خورشیدی اجازه می دهد تا طول عمر بیش تری که معمولا بیش از یک دهه نیاز دارند، دست یابند.

کلام آخر

در این مطلب با سیلیکون کارباید آشنا شدیم و متوجه شدیم که چه کاربردهایی در صنایع دارد. به طور خلاصه، SiC یک ماده با ارزش با خوص کاربردی است و شاید کشف اولیه و استفاده از آن را بتوان زمینه ای برای تغییر و تحول در بسیاری از مشاغل دانست به طوری که امروزه کاربردهای مخصوص به خود را دارد.

از اینکه با ما همراه بودید متشکریم و امیدواریم به شما کمک کند تا درک بهتری از SiC داشته باشید.