1. بنیاد: ساختار اتمی و پیوند
کاربید سیلیکون یک استجامد کووالانسی شبکه. این بدان معنی است که کل ساختار کریستالی آن یک شبکه سه بعدی غول پیکر- است که توسط جهت در کنار هم قرار گرفته است.پیوندهای کووالانسیبین اتم های سیلیکون (Si) و کربن (C).
هر اتم سیلیکون استبه صورت چهار ضلعی پیوند خورده استبه چهار اتم کربن
هر اتم کربن استبه صورت چهار ضلعی پیوند خورده استبه چهار اتم سیلیکون.
این یک چارچوب بسیار سفت و سخت و بسیار به هم پیوسته ایجاد می کند. راسی{0}}سیباند خود یکی از قوی ترین پیوندهای موجود در طبیعت است، با بالاانرژی پیوند.
2. کمک به سختی استثنایی
سختی مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک (مانند خراش یا فرورفتگی) است. درSiC:
مقاومت در برابر برش/لغزش:تغییر شکل در فلزات و برخی از سرامیک ها زمانی رخ می دهد که صفحات اتم ها از کنار یکدیگر می لغزند (حرکت نابجایی). در شبکه کووالانسی سه بعدی سفت و سخت SiC، هر گونه لغزشی نیاز داردشکستن پیوندهای کووالانسی جهت دار متعدد و قوی به طور همزمان. این بسیار انرژی-مختلف است.
طول پیوند کوتاه:راسی{0}}سیپیوند نسبتا کوتاه است و اتم ها را به هم نزدیک می کند و چگالی پیوندها را در واحد حجم افزایش می دهد. این شبکه "چگال فشرده" از پیوندهای قوی، جدا کردن اتم ها را برای یک فرورفتگی دشوار می کند.
نتیجه:SiC یکی از سخت ترین مواد شناخته شده است (سختی Mohs ~ 9-9.5، نزدیک به الماس، که یک شبکه کووالانسی کربن خالص است). به طور گسترده ای به عنوان یک مورد استفاده می شودساینده(در کاغذ سنباده، چرخ های آسیاب) و درزره پوش.
3. کمک به پایداری حرارتی استثنایی
پایداری حرارتی به توانایی یک ماده برای حفظ ساختار و خواص خود در دماهای بالا اشاره دارد.SiCدر اینجا برتری دارد به دلیل:
استحکام باند بالا و نقطه ذوب:پیوندهای کووالانسی قوی به مقدار زیادی انرژی حرارتی (دمای بسیار بالا، معمولاً بالای 2700 درجه) نیاز دارند تا به قدری شدید ارتعاش کنند تا شبکه مرتب شده را به مایع (ذوب) تجزیه کند.
مقاومت در برابر اکسیداسیون:در دماهای بالا، SiC یک لایه نازک، پیوسته و چسبنده را تشکیل می دهددی اکسید سیلیکون (SiO2)روی سطح آن این لایه شیشه ای به عنوان یک مانع محافظ عمل می کند و به شدت اکسیداسیون SiC زیرین را کاهش می دهد. این «خود-منفعل شدن» به آن اجازه میدهد در هوا در دمایی که اکثر فلزات به سرعت اکسید یا ذوب میشوند، عمل کند.
انبساط حرارتی کم و رسانایی حرارتی بالا:پیوندهای قوی باعث ایجاد یک شبکه پایدار باانبساط حرارتی کم، به این معنی که تحت تغییرات سریع دما به راحتی تاب نمی خورد یا ترک نمی خورد. به طور همزمان، ساختار اتمی آن امکان کارآمدی را فراهم می کندفونون(ارتعاش شبکه) حمل و نقل، دادن آنهدایت حرارتی بالا. این ترکیب (انبساط کم + رسانایی بالا) به این معنی است که SiC میتواند گرما را بدون ضربه حرارتی به طور موثر دفع کند و برای مبدلهای حرارتی با دمای بالا و اجزای هوافضا ایدهآل است.
جدول خلاصه کلید: از پیوند تا دارایی
| اموال | چگونه پیوند کووالانسی قوی آن را قادر می سازد | مفهوم عملی |
|---|---|---|
| سختی شدید | یک شبکه سفت و سخت و سه بعدی که در آن تغییر شکل مستلزم شکستن تعداد زیادی پیوند جهت{1} انرژی بالا است. بدون هواپیماهای آسان لغزش. | برای ساینده ها، ابزارهای برش، قطعات مقاوم در برابر سایش و زره استفاده می شود. |
| نقطه ذوب بالا | Tremendous thermal energy ( >2700 درجه) برای غلبه بر استحکام باند و برهم زدن شبکه مورد نیاز است. | میتوان در کورهها، نازلهای موشک و راکتورهای هستهای با دمای بالا-استفاده کرد. |
| مقاومت در برابر اکسیداسیون | یک لایه محافظ SiO2 تشکیل می دهد که از شبکه کووالانسی قوی Si-C زیر آن در برابر حمله بیشتر محافظت می کند. | یکپارچگی را در محیطهای اکسیدکننده با دمای بالا (مثلاً موتورهای توربین)- حفظ میکند. |
| رسانایی حرارتی بالا | پیوندهای سفت و قوی و شبکه منظم امکان انتشار مؤثر گرما{0}}حامل ارتعاشات شبکه (فونون) را فراهم می کند. | برای هیت سینکهای{0}}الکترونیکی با قدرت بالا بسیار مهم است و دستگاهها را قادر میسازد خنک بمانند. |
| بی اثری شیمیایی | پیوندهای کووالانسی اشباع و قوی به راحتی شکسته نمی شوند یا توسط اسیدها، قلیایی ها یا فلزات مذاب مورد حمله قرار نمی گیرند. | در مهر و موم ها، یاتاقان ها و اجزای محیط های شیمیایی خورنده استفاده می شود. |
در اصل، پیوند کووالانسی قوی Si-C «بلوک سازنده» اساسی است که یک شبکه سه بعدی- فوق العاده قوی و پایدار ایجاد میکند.این شبکه مستقیماً در برابر تغییر شکل مکانیکی (سختی) مقاومت می کند، برای شکستن به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد (پایداری حرارتی/نقطه ذوب)، و اساس دیگر خواص حرارتی و شیمیایی برجسته آن را تشکیل می دهد. این ترکیب منحصربفرد به همین دلیل است که SiC یک ماده سنگ بنا برای کاربردهای شدید در هوافضا، انرژی، الکترونیک و صنایع سنگین است.
