พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งในซิลิคอนคาร์ไบด์มีส่วนช่วยให้มีความแข็งและเสถียรภาพทางความร้อนเป็นพิเศษได้อย่างไร

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเครือข่ายโควาเลนต์แข็ง. ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างผลึกทั้งหมดของมันคือโครงตาข่ายสามมิติขนาดยักษ์-ที่ยึดติดกันตามทิศทางพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมของซิลิคอน (Si) และคาร์บอน (C)

อะตอมของซิลิคอนแต่ละอะตอมนั้นเชื่อมติดกันสี่ด้านไปจนถึงอะตอมของคาร์บอนสี่อะตอม

คาร์บอนแต่ละอะตอมนั้นเชื่อมติดกันสี่ด้านไปจนถึงอะตอมของซิลิคอนสี่อะตอม

สิ่งนี้สร้างกรอบการทำงานที่เข้มงวดและเชื่อมโยงถึงกันอย่างมาก ที่ซิ-คตัวพันธบัตรเองก็เป็นหนึ่งในพันธะที่แข็งแกร่งที่สุดในธรรมชาติโดยมีค่าสูงพลังงานพันธะ.

ความแข็งคือความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปเนื่องจากพลาสติก (เช่น การขีดข่วนหรือการเยื้อง) ในซิซี:

ความต้านทานต่อแรงเฉือน/สลิป:การเสียรูปในโลหะและเซรามิกบางชนิดเกิดขึ้นเมื่อระนาบของอะตอมเลื่อนผ่านกัน (การเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่) ในเครือข่ายโควาเลนต์ 3 มิติที่เข้มงวดของ SiC การเลื่อนดังกล่าวจำเป็นต้องมีทำลายพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งหลายทิศทางพร้อมกัน. นี่เป็นการใช้พลังงานอย่างมาก-

ความยาวพันธบัตรสั้น:ที่ซิ-คพันธะค่อนข้างสั้น ทำให้อะตอมอยู่ใกล้กันและเพิ่มความหนาแน่นของพันธะต่อหน่วยปริมาตร เครือข่ายพันธะที่แข็งแกร่งที่ "อัดแน่น" นี้ทำให้ยากสำหรับหัวกดที่จะแยกอะตอมออกจากกัน

ผลลัพธ์:SiC เป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งที่สุด (ความแข็ง Mohs ~ 9-9.5 ใกล้เพชร ซึ่งเป็นโครงข่ายโควาเลนต์คาร์บอนบริสุทธิ์) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะมีฤทธิ์กัดกร่อน(ในกระดาษทราย ล้อเจียร) และในการชุบเกราะ.

เสถียรภาพทางความร้อนหมายถึงความสามารถของวัสดุในการรักษาโครงสร้างและคุณสมบัติไว้ที่อุณหภูมิสูงซิซีเก่งที่นี่เนื่องจาก:

ความแข็งแรงของพันธะสูงและจุดหลอมเหลว:พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งต้องใช้พลังงานความร้อนจำนวนมหาศาล (อุณหภูมิสูงมาก โดยทั่วไปจะสูงกว่า 2,700 องศา) เพื่อให้สั่นสะเทือนอย่างรุนแรงพอที่จะสลายโครงตาข่ายที่สั่งไว้ให้เป็นของเหลว (ละลาย)

ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน:ที่อุณหภูมิสูง SiC จะเกิดชั้นบาง ๆ ต่อเนื่องกันและเกาะติดกันของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂)บนพื้นผิวของมัน ชั้นคล้ายแก้วนี้ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน ซึ่งช่วยชะลอการเกิดออกซิเดชันของ SiC ที่อยู่ภายใต้ได้อย่างมาก "การสร้างฟิล์มอัตโนมัติ" นี้ช่วยให้สามารถทำงานในอากาศที่อุณหภูมิซึ่งโลหะส่วนใหญ่จะออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วหรือละลาย

การขยายตัวทางความร้อนต่ำและค่าการนำความร้อนสูง:พันธะที่แข็งแกร่งส่งผลให้โครงตาข่ายมั่นคงด้วยการขยายตัวทางความร้อนต่ำซึ่งหมายความว่ามันไม่บิดเบี้ยวหรือแตกง่ายภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน โครงสร้างอะตอมก็ช่วยให้มีประสิทธิภาพโฟนอน(การสั่นสะเทือนของโครงตาข่าย) การลำเลียงการให้การนำความร้อนสูง. การผสมผสานนี้ (การขยายตัวต่ำ + ค่าการนำไฟฟ้าสูง) หมายความว่า SiC สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องเกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ-เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่อุณหภูมิสูงและส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศ

โดยพื้นฐานแล้ว พันธะโควาเลนต์ Si-C ที่แข็งแกร่งนั้นเป็น "องค์ประกอบหลัก" พื้นฐานที่สร้างเครือข่ายสามมิติ-ที่แข็งแกร่งและเสถียรอย่างไม่น่าเชื่อเครือข่ายนี้ต้านทานการเสียรูปเชิงกลโดยตรง (ความแข็ง) ต้องใช้พลังงานมหาศาลในการสลาย (ความเสถียรทางความร้อน/จุดหลอมเหลว) และสร้างพื้นฐานสำหรับคุณสมบัติทางความร้อนและเคมีที่โดดเด่นอื่นๆ การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์นี้คือเหตุผลว่าทำไม SiC จึงเป็นวัสดุหลักสำหรับการใช้งานที่รุนแรงในการบินและอวกาศ พลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมหนัก