Carbură de siliciu: Structura chimică, proprietăți și utilizări

Carbura de siliciu este un solid covalent format din carbon și siliciu. Are o duritate mare cu o valoare cuprinsă între 9, 0 și 10 pe scara Mohs, iar formula chimică a acestuia este SiC, ceea ce poate sugera că carbonul este legat de siliciu printr-o legătură triplă covalentă, cu o sarcină pozitivă (+ ) în Si și o sarcină negativă (-) în carbon (+ Si = C-).

De fapt, legăturile din acest compus sunt complet diferite. A fost descoperită în 1824 de către chemistul suedez Jön Jacob Berzelius, încercând să sintetizeze diamante. În 1893, omul de știință francez Henry Moissani a descoperit un mineral al cărui compoziție conține carbură de siliciu.

Această descoperire a fost făcută în timpul examinării probelor de rocă de la un crater al meteoritului din Canyon Devil's, SUA. UU. El a numit acest mineral ca moissanite. Pe de altă parte, Edward Goodrich Acheson (1894) a creat o metodă de sinteză a carburii de siliciu, prin reacția nisipurilor sau a cuarțului de înaltă puritate cu cocs de petrol.

Goodrich numit carborundum (sau carborundium) la produsul obținut și a fondat o companie pentru a produce abrazive.

Structura chimică

Imaginea superioară ilustrează structura cubică și cristalină a carburii de siliciu. Acest aranjament este același cu cel al diamantului, în ciuda diferențelor dintre razele atomice dintre C și Si.

Toate legăturile sunt puternic covalente și direcționale, spre deosebire de solidele ionice și interacțiunile lor electrostatice.

Formele de SiC formează tetraedru molecular; adică toți atomii sunt legați de alte patru. Aceste unități tetraedrice sunt unite prin legături covalente, care adoptă structuri cristaline în straturi.

De asemenea, aceste straturi au propriile aranjamente cristaline, care sunt de trei tipuri: A, B și C.

Adică, un strat A este diferit de B, iar cel din urmă este la C. Astfel, cristalul de SiC constă în stivuirea unei secvențe de straturi, apărând fenomenul cunoscut ca politizism.

De exemplu, politipul cubic (similar cu cel al diamantului) constă dintr-un teanc de straturi ABC și, prin urmare, are o structură cristalină 3C.

Alte stiluri ale acestor straturi generează și alte structuri, printre aceste politipuri romboedrice și hexagonale. De fapt, structurile cristaline ale SiC ajung să fie o "tulburare cristalină".

Cea mai simplă structură hexagonală pentru SiC, 2H (imaginea superioară), este formată ca urmare a stivuire a straturilor cu secvența ABABA ... După fiecare două straturi secvența se repetă și din acest motiv numărul 2 provine de la .

proprietăţi

Proprietăți generale

Masa moleculară

40, 11 g / mol

apariție

Variază în funcție de metoda de obținere și de materialele utilizate. Poate fi: cristale galbene, verzi, albastru sau cristale irizante.

densitate

3, 16 g / cm3

Punctul de topire

2830 ºC.

Indicele de refracție

2.55.

cristale

Există polimorfism: cristale hexagonale αSiC și cristale cubice βSiC.

duritate

9 la 10 pe scara Mohs.

Rezistența la agenți chimici

Este rezistent la acțiunea acizilor și a alcaliilor puternici. În plus, carbură de siliciu este inertă chimic .

Proprietăți termice

- Conductibilitate termică ridicată.

- Susține temperaturi ridicate.

- Conductibilitate termică ridicată.

- Coeficientul de expansiune termică liniară scăzută, astfel încât să susțină temperaturi ridicate cu expansiune redusă.

- Rezistent la șoc termic.

Proprietăți mecanice

- Rezistență mare la compresie.

- Rezistent la abraziune și coroziune.

- Este un material ușor de mare rezistență și rezistență.

- Menține rezistența elastică la temperaturi ridicate.

Proprietăți electrice

Este un semiconductor care își poate îndeplini funcțiile la temperaturi ridicate și tensiuni extreme, cu puțină disipare a puterii sale la câmpul electric.

aplicații

Ca un abraziv

- Carbura de siliciu este un semiconductor capabil să reziste la temperaturi ridicate, gradienți de înaltă tensiune sau câmp electric de 8 ori mai mult decât siliciul rezistent. Acesta este motivul pentru care este util în construcția de diode, tranzitorii, supresoare și dispozitive cu microunde de mare putere.

- Diodele emițătoare de lumină (LED) și detectoarele primelor radiouri (1907) sunt fabricate împreună cu compusul. În prezent, carbură de siliciu a fost înlocuită în fabricarea becurilor cu LED de către nitrură de galiu care emite o lumină de 10 până la 100 de ori mai strălucitoare.

- În sistemele electrice, carbură de siliciu este folosită ca un conductor de trăsnet în sistemele de electricitate, deoarece acestea își pot regla rezistența prin reglarea tensiunii prin ea.

Sub formă de ceramică structurată

- Într-un proces cunoscut sub numele de sinterizare, particulele de carbură de siliciu - precum și cele ale companiilor - sunt încălzite la o temperatură mai mică decât temperatura de topire a acestui amestec. Astfel, forța și rezistența obiectului ceramic crește, prin formarea unor legături puternice între particule.

- Ceramica structurală a carburii de siliciu a avut o gamă largă de utilizări. Acestea sunt utilizate în frâne cu disc și în ambreiaje ale autovehiculelor, în filtre de particule prezente în motorină și ca aditiv în uleiuri pentru a reduce frecarea.

- Utilizările ceramicii structurale din carbura de siliciu au devenit larg răspândite în părțile expuse la temperaturi ridicate. De exemplu, acesta este cazul gâtului injectorilor de rachete și al rolelor cuptoarelor.

- Combinația de conductivitate termică ridicată, duritate și stabilitate la temperaturi ridicate face ca componentele tuburilor schimbătorului de căldură să aibă carbură de siliciu.

- Ceramica structurală este utilizată în injectori de nisip, garnituri de etanșare pentru pompe de apă, rulmenți și matrițe de extrudare. Acesta constituie, de asemenea, materialul creuzetelor folosite la topirea metalelor.

- face parte din elementele de încălzire utilizate în topirea sticlei și a metalelor neferoase, precum și în tratarea termică a metalelor.

Alte utilizări

- Se poate utiliza la măsurarea temperaturii gazului. Într-o tehnică cunoscută sub numele de pyrometrie, un filament de carbură de siliciu este încălzit și emite radiații care se corelează cu temperatura într-un interval de 800-2500 ° K.

- Se utilizează în centralele nucleare pentru a preveni scurgerea materialului produs prin fisiune.

- În producția de oțel este folosit ca combustibil.