موضوع مقاله: سیلیسیم کاربید | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سیلیسیم کاربید | مقدمه: سیلیسیم کربید، سیلیکون کربید یا کاربوراندم با فرمول شیمیایی SiC، یکی از مواد دیرگداز و نیمه رسانا است که به‌صورت خام در طبیعت یافت نمی‌شود. | ## بخش 1: سیلیسیم کاربید | پودر سیلیسیوم کاربید مصنوعی از سال ۱۸۹۳ به صورت انبوه برای استفاده به عنوان ساینده، تولید می‌شود. پودر کاربید سیلیسیم را می‌توان با تف جوشی به یکدیگر متصل کرد و سرامیک‌های بسیار سختی را ساخت که به‌طور گسترده‌ای در کاربردهایی که نیاز به تحمل بالا دارند، مانند ترمز اتومبیل، کلاچ اتومبیل و صفحات سرامیکی جلیقه‌های ضد گلوله استفاده می‌شود. Moissan همچنین SiC را از طریق چندین مسیر، از جمله انحلال کربن در سیلیکون مذاب، ذوب مخلوط کاربید کلسیم و سیلیس و با کاهش سیلیس با کربن در کوره الکتریکی ، سنتز کرد. چگالی این ماده برابر ۲۱/۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب است و دارای مقاومت شیمیایی بالا و مقاومت الکتریکی پایینی است. این فرایند در دمای ۲۳۰۰ درجه سانتی‌گراد و با استفاده از جریان الکتریکی اتفاق می‌افتد. موسانیت طبیعی برای اولین بار در سال ۱۸۹۳ به عنوان یک جز کوچک از شهاب سنگ کانیون دیابلو در آریزونا توسط فردیناند هنری مویسان یافت شد، که ماده در سال ۱۹۰۵ به نام وی نامگذاری شد. در ابتدا کشف Moissan از SiC که به‌طور طبیعی اتفاق می‌افتد مورد اختلاف بود زیرا ممکن است نمونه وی توسط تیغه‌های اره سیلیکون کاربید آلوده شده باشد که در آن زمان از قبل در بازار بودند. در هنر، به دلیل دوام و هزینه کم مواد، کاربید سیلیسیم ساینده ای محبوب برای ساخت نگین انگشتر مدرن است. در تولید، به دلیل داشتن سختی بالا از آن در فرایندهای ماشین کاری سایشی از قبیل سنگ زنی، هونینگ، برش با واترجت، و ساب پاشی استفاده می‌شود. توسعه این کامپوزیت تولید شده در آزمایشگاه برای تبدیل به یک محصول تجاری تنها سه سال به طول انجامید. در سال ۱۹۸۵، اولین ابزارهای برشی تجاری ساخته شده از این کامپوزیت تقویت شده با ویسکر آلومینا و کاربید سیلیسیم به بازار عرضه شد. در دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، کاربید سیلیسیم در چندین پروژه تحقیقاتی برای استفاده در توربین‌های گازی حرارت-بالا در اروپا، ژاپن و ایالات متحده مورد مطالعه قرار گرفت. این قطعات برای جایگزینی پره‌های توربین ساخته شده از سوپرآلیاژ نیکل یا پره‌های نازل در نظر گرفته شده بود. با این حال، هیچ‌یک از این پروژه‌ها به دلیل مقاومت کم در برابر ضربه و شکست، به تولید منجر نشد. مانند سایر سرامیک‌های سخت (یعنی آلومینا و کاربید بور)، از کاربید سیلیسیم در ساخت زره‌های کامپوزیتی و در صفحات سرامیکی جلیقه‌های ضد گلوله استفاده می‌شود. مقاومت در برابر شکستگی در زره پوش‌های SiC را می‌توان از طریق پدیده رشد ناهنجار دانه یا AGG افزایش داد. رشد دانه‌های بسیار بلند کاربید سیلیسیم مانند تقویت با ویسکر، با پل زدن ترک‌ها، از ترک خوردگی جلوگیری می‌کند. قفسه‌های کوره SiC به‌طور قابل توجهی سبک‌تر و با دوام تر از قفسه‌های آلومینای سنتی هستند. کامپوزیت کربن-کربن نفوذ یافته در سیلیسیم برای دیسک‌های ترمز «سرامیکی» با کارایی بالا استفاده می‌شود، زیرا آنها قادر به مقاومت در برابر درجه حرارت شدید هستند. سیلیسیم با گرافیت موجود در کامپوزیت کربن-کربن واکنش می‌دهد و تبدیل به کاربید سیلیسیم تقویت شده با فیبر کربن (C/SiC) می‌شود. این دیسک‌های ترمز در برخی از اتومبیل‌های اسپرت جاده ای، سوپراسپرت‌ها و همچنین سایر اتومبیل‌های عملکرد-بالا استفاده می‌شود، مانند پورشه کاررا جی‌تی، بوگاتی ویرون، شورلت کوروت ZR1، مک‌لارن پی۱، بنتلی، فراری، لامبورگینی و برخی از خودروهای عملکرد-بالای آئودی. از کاربید سیلیکون تف جوشی شده به صورت متخلخل برای ساخت فیلترهای ذرات دیزل نیز استفاده می‌شود. همچنین به عنوان یک افزودنی روغن برای کاهش اصطکاک ، انتشار و هارمونیک استفاده می‌شود. بوته‌های کارخانه ذوب از بوته‌های کاربید سیلیسیمی برای ساخت بوته‌های مواد مذاب در کارخانه‌های ذوب بزرگ و کوچک استفاده می‌شود. | ## بخش 2: سیلیسیم کاربید | سیستم‌های الکتریکی اولین کاربرد الکتریکی SiC در آذرخش گیرهای سیستم‌های برقی بود. این دستگاه‌ها باید مقاومت بالایی از خود نشان دهند تا زمانی که ولتاژ روی آنها به آستانه خاصی از VT برسد که در آن مرحله مقاومت آنها باید به سطح پایین‌تری برسد و این سطح را حفظ کند تا زمانی که ولتاژ اعمال شده به زیر VT برسد. در همان اوایل مشخص شد که SiC چنین مقاومت وابسته به ولتاژی دارد و به همین دلیل ستون‌های پر شده از ساچمه‌های SiC بین خطوط برق فشار قوی و زمین متصل شدند. هنگامی که ضربه یک صاعقه ولتاژ خط را به اندازه کافی بالا ببرد، ستون SiC رسانا شده، و اجازه می‌دهد جریان صاعقه به جای عبور از خط برق، بی خطر به زمین عبور کند. بعدها ثابت شد که ستون‌های SiC در ولتاژهای عادی خط نیز تا حد بسیاری رسانا هستند و به همین دلیل باید به صورت سری و با یک اسپارک گپ نصب شوند. زمانی که صاعقه ولتاژ را به حد کافی بالا ببرد، این اسپارک گپ یونیزه شده و رسانا می‌شود، و به همین دلیل به صورت کارآمدی ستون SiC را بین خط انتقال و زمین متصل می‌کند. اسپارک گپ‌های مورد استفاده در دستگاه‌های صاعقه گیر قابل اعتماد نیستند، چرا که یا در صورت نیاز نمی‌توانند قوس بزنند یا پس از آن قطع نمی‌شوند. استفاده از ستون‌های SiC در اصل برای از بین بردن نیاز به اسپارک گپ‌ها در صاعقه گیرها بود. امروزه به‌طور گسترده‌ای به جای صاعقه گیرهای SiC گپ دار از وریستورهای بدون-گپ با ستون‌هایی از ساچمه‌های اکسید روی استفاده می‌شود. المان‌های سیستم‌های الکترونیکی کاربید سیلیسیم اولین ماده نیمه هادی مهم تجاری بود. تجهیزات الکترونیکی برق سیلیکون کاربید یک‌نیمه هادی در تحقیقات و تولید انبوه اولیه است، و برای ساخت دستگاه‌های سریع و دما-بالا یا ولتاژ بالا بسیار مناسب است. با ظهور نیترید گالیم، تولید ال ای دی از SiC خیلی زود متوقف شد، چرا که این ماده ۱۰ تا ۱۰۰ برابر نور بیشتری تولید می‌کرد. این تفاوت در کارایی به دلیل باندگپ غیرمستقیم SiC است، در حالی که نیترید گالیم دارای یک باندگپ مستقیم است که انتشار نور را ترجیح می‌دهد. نجوم ضریب انبساط حرارتی کم، سختی بالا، صلبیت و رسانایی حرارتی خوب، استفاده از کاربید سیلیسیم را به عنوان ماده ای مطلوب برای ساخت آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی تبدیل کرده‌است. فناوری رشد (انباشت بخار شیمیایی) برای تولید دیسک‌های کاربید سیلیسیمی پلی کریستالی تا قطر ۳٫۵ متر (۱۱ فوت) افزایش یافته‌است و در حال حاضر چندین تلسکوپ مانند تلسکوپ فضایی هرشل به اپتیک ساخته شده از SiC مجهز شده‌اند. از الیاف کاربید سیلیسیم برای اندازه‌گیری دمای گاز در یک تکنیک نوری به نام پیرومتری رشته نازک استفاده می‌شود. رشته‌های الیاف SiC قطری در حدود ۱۵ میکرومتر دارند، یعنی تقریباً یک پنجم موی انسان. از آنجا که الیاف بسیار نازک هستند، آشفتگی شعله حداقل است و دمای آنها بسیار نزدیک به دمای گاز محلی است. المنت‌های گرمایشی امروزه از المنت‌های کاربید سیلیسیمی در ذوب شیشه و فلزات غیر آهنی، عملیات حرارتی فلزات، تولید شیشه شناور، تولید قطعات سرامیکی و الکترونیکی، جرقه زن پیلوت‌های بخاری‌های گازی و غیره استفاده می‌شود. روکش دهی و ذرات سوخت هسته ای کاربید سیلیسیم ماده مهمی در ذرات سوخت با پوشش TRISO است، نوعی از سوخت هسته ای که در راکتورهای خنک‌کننده گازی با درجه حرارت بسیار بالا مانند راکتور بستر گلوله ای موجود است. لایه ای از کاربید سیلیسیم به ذرات سوخت پوشش داده شده پشتیبانی ساختاری می‌دهد و مانع اصلی انتشار محصولات شکافت است. جواهرآلات کاربید سیلیسیم گاهی به عنوان گوهر در جواهرآلات استفاده می‌شود و به آن «مویسانیت مصنوعی» یا به‌طور خلاصه «مویسانیت» می‌گویند. مویسانیت از چند جنبه مهم شبیه به الماس است: شفاف و سخت است (در مقیاس موس ۹–۹٫۵، در مقایسه با الماس که ۱۰ است)، با ضریب شکست بین ۲٫۶۵ و ۲٫۶۹ (در مقایسه ضریب شکست الماس ۲٫۴۲ است). به همین دلیل، جواهرات مویسانیت در محور نوری کریستال برش داده می‌شوند تا اثرات دوشکستی به حداقل برسد. | ## بخش 3: سیلیسیم کاربید | مویسانیت نسبت به الماس سبک‌تر (چگالی ۳٫۲۱ گرم بر سانتیمتر مکعب در برابر ۳٫۵۳ گرم بر سانتیمتر مکعب) و بسیار مقاوم تر به گرما است. سیلیسیم کاربید حل شده در کوره اکسیژن قلیایی در تولید فولاد، به عنوان سوخت عمل می‌کند. انرژی اضافی آزاد شده باعث می‌شود که کوره با همان بار فلز داغ، آهن قراضه بیشتری را ذوب کند. همچنین می‌تواند دمای تخلیه فولاد را افزایش دهد یا مقدار سیلیسیم و کربن را تنظیم کند. کاربید سیلیسیم ارزان‌تر از ترکیبی از فروسیلیسیم و کربن است، و به دلیل کم بودن عناصر کم‌مقدار (ناخالصی) آن، فولاد تمیزتری تولید می‌کند و میزان انتشار آلاینده‌های آن کمتر است، محتوای گاز کمی دارد و درجه حرارت فولاد را پایین نمی‌آورد. پایه کاتالیست مقاومت طبیعی کاربید سیلیسیم در برابر اکسیداسیون، و همچنین کشف روش‌های جدید سنتز فرم مکعب β-SiC، که دارای سطح بزرگتری است، علاقه قابل توجهی در استفاده از آن به عنوان یک پایه کاتالیست ناهمگن ایجاد کرده‌است. در حال حاضر این فرم به عنوان یک پایه کاتالیست برای اکسیداسیون هیدروکربن‌هایی مانند n-بوتان به مالئیک انهیدرید استفاده شده‌است. چاپ کاربوراندوم از کاربید سیلیسیم در چاپ کاربوراندوم استفاده می‌شود، که یک روش چاپ کلاگراف است. زمانی که خمیر خشک شد، جوهر اعمال شده و این جوهر در سطوح دانه‌دانه آن گرفتار می‌شود و از قسمت‌های لخت صفحه پاک می‌گردد. تولید گرافین از کاربید سیلیکون به دلیل خواص شیمیایی آن می‌توان در تولید گرافین استفاده کرد. این خواص تولید اپیتکسیال گرافین را روی سطحی از نانوساختار کاربید سیلیسیم تسهیل می‌کند. وقتی نوبت به تولید می‌رسد، از سیلیسیم عمدتاً به عنوان بستری برای رشد گرافین استفاده می‌شود. اما در واقع روش‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان برای رشد گرافین روی کاربید سیلیسیم استفاده کرد. روش رشد تصعید کنترل شده در سلول (CCS) شامل یک تراشه SiC است که به همراه گرافیت در خلا گرم می‌شود. اما گزارش‌های منتشر شده‌است که روش‌های دیگر نیز می‌توانند همین محصول را ارائه دهند. اما این روش منجر به تولید لایه‌های گرافینی می‌شود که حاوی دانه‌های کوچکتری درون لایه‌ها هستند. وقتی نوبت به درک چگونگی یا زمان استفاده از این روش‌های تولید گرافین می‌رسد، بیشتر آنها به‌طور عمده این گرافین را در SiC در یک محیط مناسبِ رشد، تولید می‌کنند. به دلیل ویژگی‌های حرارتی SiC اغلب در دمای نسبتاً بالات (مانند ۱۳۰۰ درجه سلسیوس) مورد استفاده قرار می‌گیرد. فیزیک کوانتوم کاربید سیلیسیم می‌تواند میزبان نقایص نقطه ای در شبکه بلوری باشد که به عنوان مراکز رنگی شناخته می‌شوند. این نقایص می‌توانند در صورت تقاضا یک فوتون تولید کنند و بنابراین به عنوان بستری برای منبع تک فوتونی عمل می‌کنند. اگر کسی از طریق یک منبع نوری خارجی یا جریان الکتریکی یک مرکز رنگی را پمپاژ کند، مرکز رنگی به حالت برانگیخته درمی آید و سپس با ساطع کردن یک فوتون دوباره به حالت طبیعی خود بازمی‌گردد. یک نقص کاملاً شناخته شده در کاربید سیلیسیم، تقسیم است که دارای ساختار الکترونیکی مشابه مرکز نبود نیتروژن در الماس است. | ## جمع‌بندی | گایدهای قلاب ماهیگیری از کاربید سیلیسیم به دلیل دوام و مقاومت در برابر سایش آن در ساخت گاید قلاب ماهیگیری استفاده می‌شود.