Τα τελευταία χρόνια, οι ημιαγωγοί από σύνθετο καρβίδιο του πυριτίου έχουν λάβει ευρεία προσοχή στη βιομηχανία. Ωστόσο, ως υλικό υψηλής απόδοσης, οι ηλεκτρονικές συσκευές (δίοδοι, συσκευές ισχύος) αποτελούν μόνο ένα μικρό μέρος των εφαρμογών του. Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως λειαντικό, υλικό κοπής, δομικό υλικό, οπτικό υλικό, φορέας καταλύτη κ.λπ. Σήμερα θα παρουσιάσουμε κυρίως τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου, τα οποία έχουν τα πλεονεκτήματα των σταθερών χημικών ιδιοτήτων, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, της αντοχής στη φθορά, της αντοχής στη διάβρωση, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής, της χαμηλής πυκνότητας και της υψηλής μηχανικής αντοχής. Χρησιμοποιείται ευρέως σε χημικά μηχανήματα, στην ενέργεια και την προστασία του περιβάλλοντος, στους ημιαγωγούς, στη μεταλλουργία, στις βιομηχανίες εθνικής άμυνας και στις στρατιωτικές βιομηχανίες και σε άλλους τομείς.

1. Δομή και ιδιότητες καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (Ούτω) περιέχει πυρίτιο και άνθρακα και είναι μια τυπική πολυμορφική ένωση. Αποτελείται κυρίως από δύο κρυσταλλικές μορφές: α-Ούτω (σταθερό σε υψηλή θερμοκρασία) και β-Ούτω (σταθερό σε χαμηλή θερμοκρασία). Υπάρχουν πάνω από 200 πολύμορφα, εκ των οποίων τα 3C-Ούτω του β-Ούτω και 2H-Ούτω, 4H-Ούτω, 6H-Ούτω και 15R-Ούτω του α-Ούτω είναι ιδιαίτερα αντιπροσωπευτικά.

Σε θερμοκρασίες κάτω των 1600°C, το Ούτω υπάρχει ως β-Ούτω, το οποίο μπορεί να παραχθεί από ένα απλό μείγμα πυριτίου και άνθρακα περίπου στους 1450°C. Πάνω από τους 1600°C, το β-Ούτω μετασχηματίζεται αργά σε διάφορους πολυτύπους α-Ούτω. Το 4H-Ούτω σχηματίζεται εύκολα σε θερμοκρασίες περίπου 2000°C. Τόσο ο πολυτύπος 6H όσο και ο πολυτύπος 15R απαιτούν θερμοκρασίες άνω των 2100°C για να σχηματιστούν εύκολα. Το 6H-Ούτω παραμένει πολύ σταθερό ακόμη και σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 2200°C, γεγονός που το καθιστά ευρέως χρησιμοποιούμενο σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου είναι ένας άχρωμος, διαφανής κρύσταλλος. Το βιομηχανικό καρβίδιο του πυριτίου διατίθεται σε χρώματα με μειωμένη διαφάνεια, όπως άχρωμο, ανοιχτό κίτρινο, ανοιχτό πράσινο, σκούρο πράσινο, ανοιχτό μπλε, σκούρο μπλε, ακόμη και μαύρο. Η βιομηχανία λειαντικών κατηγοριοποιεί το καρβίδιο του πυριτίου ανά χρώμα: μαύρο καρβίδιο του πυριτίου και πράσινο καρβίδιο του πυριτίου. Το άχρωμο έως σκούρο πράσινο καρβίδιο του πυριτίου ταξινομείται ως πράσινο καρβίδιο του πυριτίου, ενώ το ανοιχτό μπλε έως μαύρο καρβίδιο του πυριτίου ταξινομείται ως μαύρο καρβίδιο του πυριτίου. Το μαύρο καρβίδιο του πυριτίου και το πράσινο καρβίδιο του πυριτίου είναι και τα δύο εξαγωνικοί κρύσταλλοι α-Ούτω. Γενικά, τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιούν σκόνη πράσινου καρβιδίου του πυριτίου ως πρώτη ύλη.

2. Διαδικασία παρασκευής κεραμικών καρβιδίου πυριτίου

Τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου κατασκευάζονται με σύνθλιψη, άλεση και ταξινόμηση πρώτων υλών καρβιδίου του πυριτίου για την απόκτηση σωματιδίων Ούτω με ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους σωματιδίων. Τα σωματίδια Ούτω στη συνέχεια αναμιγνύονται με ένα πρόσθετο σύντηξης και ένα προσωρινό συνδετικό υλικό, συμπιέζονται σε ένα πράσινο συμπαγές υλικό και στη συνέχεια συντήκονται σε υψηλή θερμοκρασία. Ωστόσο, λόγω της υψηλής ομοιοπολικής φύσης των δεσμών Σι-C (~88%) και του χαμηλού συντελεστή διάχυσης, μία από τις κύριες προκλήσεις στη διαδικασία παρασκευής είναι η δυσκολία επίτευξης συμπύκνωσης κατά τη σύντηξη. Οι μέθοδοι για την παρασκευή κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής πυκνότητας περιλαμβάνουν σύντηξη αντίδρασης, σύντηξη χωρίς πίεση, σύντηξη χωρίς πίεση, θερμή συμπίεση, σύντηξη ανακρυστάλλωσης, θερμή ισοστατική συμπίεση και σύντηξη με πλάσμα σπινθήρα. Ωστόσο, τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου υποφέρουν από χαμηλή αντοχή σε θραύση, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ευθραυστότητα. Επομένως, τα τελευταία χρόνια, έχουν αναδυθεί σύνθετα κεραμικά με βάση το καρβίδιο του πυριτίου, όπως ενίσχυση από ίνες (ή μουστάκια), ενίσχυση με ετερογενή διασπορά σωματιδίων και λειτουργικά βαθμιδωτά υλικά, για να βελτιώσουν την ανθεκτικότητα και την αντοχή του μεμονωμένου υλικού.

3. Εφαρμογή και προοπτικές ανάπτυξης κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου 

Ως δομικό κεραμικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας με εξαιρετική απόδοση, η κεραμική καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε κλιβάνους υψηλής θερμοκρασίας, μεταλλουργία χάλυβα, πετροχημικά, μηχανική ηλεκτρονική, αεροδιαστημική, ενέργεια και προστασία του περιβάλλοντος, πυρηνική ενέργεια, αυτοκίνητα και άλλους τομείς. Πιστεύουμε ότι η χρήση της πιο πιθανής μεθόδου για να κάνουμε το μεγάλο 

Στο μέλλον, καθώς αυξάνεται ο ρυθμός διείσδυσης των νέων ενεργειακών οχημάτων, της ενέργειας, της βιομηχανίας, των επικοινωνιών και άλλων τομέων, και οι απαιτήσεις για μηχανικά εξαρτήματα υψηλής ακρίβειας, υψηλής αντοχής στη φθορά και υψηλής αξιοπιστίας ή ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε διάφορους τομείς γίνονται ολοένα και πιο αυστηρές, το μέγεθος της αγοράς των κεραμικών προϊόντων από καρβίδιο του πυριτίου αναμένεται να συνεχίσει να επεκτείνεται, μεταξύ των οποίων τα νέα ενεργειακά οχήματα και τα φωτοβολταϊκά αποτελούν σημαντικούς τομείς ανάπτυξης.