Keramik Silikon Karbida Mendapatkan Daya Tarik di Industri Meskipun Ada Tantangan

Di era kemajuan teknologi yang pesat ini, ilmu material menjadi semakin penting. Seiring dengan lingkungan industri yang semakin menuntut, material tradisional seringkali gagal memenuhi persyaratan ekstrem suhu tinggi dan kondisi korosif. Di antara material keramik canggih, silikon karbida (SiC) menonjol dengan sifat fisik dan kimianya yang luar biasa, mendapatkan perhatian signifikan di berbagai sektor kedirgantaraan, elektronik, teknik kimia, dan industri lainnya.

Silikon karbida adalah senyawa atom silikon dan karbon yang terikat melalui ikatan kovalen yang kuat. Ia ada dalam berbagai bentuk kristal, dengan α-SiC (struktur heksagonal) yang paling umum dalam aplikasi industri dan β-SiC (struktur kubik) yang menjanjikan dalam aplikasi semikonduktor karena mobilitas elektronnya yang lebih tinggi.

Material ini secara tidak sengaja ditemukan pada tahun 1893 oleh penemu Amerika Edward Goodrich Acheson saat mencoba mensintesis berlian. Penemuan yang kebetulan ini mengarah pada produksi industri abrasif SiC, dengan aplikasi yang secara bertahap meluas ke material refraktori dan komponen elektronik.

Dengan titik leleh 2700°C, keramik SiC mempertahankan integritas struktural di bawah panas ekstrem karena ikatan kovalennya yang kuat. Hal ini membuatnya ideal untuk komponen tungku, nosel pembakar, dan perlengkapan kiln dalam produksi baja dan industri sintering keramik. Dalam aplikasi kedirgantaraan, bilah turbin berbasis SiC dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi mesin dan rasio dorong-terhadap-berat.

Dengan peringkat 2500-3000 HV pada skala Vickers, keramik SiC melampaui keramik tradisional seperti alumina (1500-2000 HV) dalam hal kekerasan. Kekuatan lenturnya (400-800 MPa) juga dua kali lipat dari alumina, menjadikannya sangat berharga untuk segel mekanis, pelat baja, dan komponen tahan aus dalam peralatan minyak bumi dan pertambangan.

Ikatan Si-C yang kuat memberikan ketahanan luar biasa terhadap asam, alkali, dan agen pengoksidasi. Dalam pemrosesan kimia dan aplikasi lingkungan, komponen SiC secara dramatis memperpanjang umur peralatan dalam penanganan media korosif, mulai dari saluran pipa hingga sistem pengolahan air limbah.

Meskipun tidak cocok dengan konduktivitas termal aluminium nitrida, peringkat SiC sebesar 120-270 W/m·K membuatnya efektif untuk pendinginan elektronik daya dan penukar panas industri. Konduktivitas listriknya yang dapat disetel melalui doping memungkinkan beragam aplikasi semikonduktor.

Seperti kebanyakan keramik, SiC menderita ketangguhan patah yang rendah. Penelitian berfokus pada penggabungan agen penguat (nanotube karbon, grafena), pengendalian ukuran butir, dan modifikasi permukaan untuk mengurangi keterbatasan ini.

Perubahan suhu yang cepat dapat menyebabkan retakan. Solusi termasuk memodifikasi koefisien ekspansi termal, meningkatkan konduktivitas termal, dan merekayasa jaringan mikroretak terkontrol untuk menyerap tekanan.

Bahan baku yang mahal, manufaktur yang kompleks, dan persyaratan pemesinan presisi saat ini membatasi adopsi secara luas. Pendekatan yang muncul termasuk sumber bahan baku alternatif, proses sintering yang disederhanakan, dan teknik pemesinan canggih untuk mengurangi biaya.

Teknik produksi utama meliputi:

• Sintering: Pemadatan bubuk yang hemat biaya dan fusi suhu tinggi
• Pengikatan Reaksi: Pembentukan in-situ dari campuran silikon-karbon
• Deposisi Uap: Produksi film tipis kemurnian tinggi untuk elektronik
• Metode Alternatif: Termasuk sol-gel dan sintesis suhu tinggi yang merambat sendiri

Perangkat daya SiC memungkinkan inverter dan konverter yang lebih efisien, yang telah diadopsi oleh para pemimpin industri seperti Tesla dan BYD untuk memperpanjang jangkauan baterai.

Komponen turbin generasi berikutnya dan bagian mesin roket memanfaatkan kemampuan suhu tinggi SiC untuk meningkatkan dorongan dan efisiensi bahan bakar.

Wafer SiC merevolusi elektronik daya untuk infrastruktur 5G dan sistem energi, menawarkan kinerja yang unggul dibandingkan silikon tradisional.

Aplikasi tambahan mencakup energi nuklir (pelapis bahan bakar), implan medis (penggantian sendi), dan abrasif canggih untuk pemesinan presisi.

Saat para peneliti mengatasi hambatan kerapuhan dan biaya melalui strategi penguatan baru dan metode produksi yang terukur, keramik silikon karbida siap untuk mengubah berbagai industri. Kemajuan berkelanjutan akan memperkuat peran mereka dalam memungkinkan teknologi generasi berikutnya di berbagai sektor energi, transportasi, dan manufaktur canggih.