استخدامات كربيد السيليكون

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه عادةً باسم الكاربوروندوم /karb@rndu/، هو مركب بلوري اصطناعي شديد الصلابة من السيليكون والكربون الذي يستخدم منذ فترة طويلة للاستخدام كمادة كاشطة ومقاومة للتآكل في مجالات مختلفة مثل الحراريات والسيراميك، وإنتاج الأجزاء المقاومة للتآكل، وإنتاج ركيزة الصمام الثنائي الباعث للضوء وركيزة أشباه الموصلات للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED). ومنذ أواخر القرن التاسع عشر، استُخدم أيضاً كركيزة لأشباه الموصلات في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

كما تعتمد إلكترونيات الطاقة التي تعمل في درجات حرارة وفولتية عالية على هذه المادة للتشغيل الموثوق.

أقراص مكابح عالية الأداء

أصبح كربيد السيليكون (SiC)، الذي يُشار إليه عادةً باسم الكاربوروندوم منذ عام 1891، يُنتج على نطاق واسع منذ اكتشافه وطرحه في الإنتاج الضخم. يُستخدم في المقام الأول في التطبيقات التي تتطلب متانة فائقة مثل مكابح وقوابض السيارات وكذلك ألواح السترات الواقية من الرصاص التي تحتوي على ألواح السيراميك المصنوعة من هذا المركب الذي يحتل المرتبة 9 على مقياس موس للصلابة - وهو يحتل المرتبة الثانية بعد الماس بين المواد الطبيعية.

من السهل نسبيًا تصنيعها وتصنيعها آليًا، مما يجعلها خيارًا شائعًا للمكونات التي ستتلامس مع درجات حرارة عالية، مثل أقراص المكابح. نظرًا لأن أسطحها الاحتكاكية قد تصل إلى درجات حرارة قد تذيب الفولاذ أو تتلف مواد أخرى، فإن العديد من أنظمة المكابح تستخدم أقراصًا ذات فتحات أو فتحات متعددة مصممة لإطلاق الغازات المتولدة عند ارتفاع حرارة سطح الاحتكاك.

يتم إنتاج SiC من قبل العديد من الشركات المصنعة لاستخدامها في المواد الكاشطة والصناعات المعدنية والحرارية. ابتكر إدوارد أتشيسون طريقة فعالة لإنتاج هذه المادة في عام 1891 - وضع رمل السيليكا النقي مع كربون فحم الكوك المطحون في فرن ساخن كهربائي ثم تشغيل تيار كهربائي من خلاله يسبب تفاعلات كيميائية تنتج بلورات صغيرة من سيكلوريد السيليكون التي يتم طحنها في شكل مسحوق للاستخدام التجاري.

درع مضاد للرصاص

كربيد السيليكون (SiC)، هو مركب بلوري فائق الصلابة يتم إنتاجه صناعياً ويتكون من السيليكون والكربون، ولا يفوقه في الصلابة سوى كربيد البورون والماس على مقياس موس. ومنذ أواخر القرن التاسع عشر، تم استخدامه في المكونات المقاومة للتآكل مثل عجلات الطحن وأدوات القطع وورق الصنفرة نظرًا لصلابته وخصائصه الأخرى المرغوبة. وعلاوة على ذلك، يمكن العثور عليه كجزء من المواد المقاومة للحرارة أو السيراميك أو حتى الركائز شبه الموصلة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

أنتج إدوارد أتشيسون لأول مرة المويسانيت صناعيًا حوالي عام 1891 عندما اكتشف بلورات سوداء صغيرة غير متوقعة أثناء عملية تسخين مخاليط الكربون والألومينا، مما دفعه إلى إنشاء عملية أتشيسون وإنتاجها تجاريًا. ولا يمكن العثور على نظيره الطبيعي إلا في النيازك أو بعض المواد الحرارية.

يتألف SiC من طبقات متقاربة مترابطة مع بعضها البعض عبر روابط تساهمية. وتحتوي كل طبقة من هذه الطبقات على اثنين من رباعي السطوح التناسقية الأولية التي تتكون من أربع ذرات سيليكون وأربع ذرات كربون مرتبة في ترتيبات مختلفة لتكوين أنواع مختلفة من الكربون الهيدروكلوريد، وتوفر هذه البنى صلابة شديدة مع خصائص فيزيائية فردية تتفاوت بشكل كبير.

تُعد SiC مادة مثالية للمكونات المعرضة للأحمال القصوى ودرجات الحرارة القصوى، بما في ذلك محامل المضخات والصمامات وحاقنات السفع الرملي وتطبيقات ختم العمود بسرعات عالية وكذلك المرايا في التلسكوبات الفلكية الكبيرة نظرًا لمزيجها من القوة والصلابة والتوصيل الحراري وخصائص التمدد الحراري المنخفضة. نتيجةً لهذه الخصائص، غالبًا ما يتم استخدامه في التطبيقات الهندسية التي تتطلب مكونات بهذه الخصائص مثل محامل المضخات وحاقنات السفع الرملي للصمامات وكذلك حوامل السفع الرملي وكذلك ختم العمود بسرعات عالية.

مواد أشباه الموصلات

شهد كربيد السيليكون ارتفاعًا غير عادي في شعبيته بسبب زيادة الطلب على إلكترونيات الطاقة. إن مزيجها من الخصائص الفيزيائية والإلكترونية يجعلها مثالية لإنتاج مجالات كهربائية أعلى للتفكك وخسائر أقل في التحويل وكفاءة أكبر في استهلاك الطاقة.

يمكن تحويل كربيد السيليكون، على الرغم من أنه عادةً ما يكون عازلًا، إلى شبه موصل عن طريق التخدير بشوائب معينة. عندما يتم تخديره بشوائب الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم أو النيتروجين (أشباه الموصلات من النوع P)، يتصرف كربيد السيليكون كأشباه موصلات من النوع N؛ وعندما يتم تخديره بشوائب الفوسفور يتصرف كأشباه موصلات من النوع N. تؤثر عوامل التخدير على حركية الإلكترونات من حيث بنية النطاق - تتحرك الإلكترونات على طول نطاقات التوصيل بينما تتحرك الثقوب في نطاقات التكافؤ.

تشتهر SiC بامتلاكها فجوة نطاق عريضة بشكل استثنائي، مما يمكّنها من تحقيق مجالات كهربائية أعلى بكثير من السيليكون التقليدي. ويؤدي ذلك إلى تقليل خسائر التحويل وتقليل استخدام المكونات مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الطاقة؛ وهو أمر ذو قيمة خاصة في أنظمة تحويل طاقة المركبات الكهربائية التي تحتاج إلى تحمل الفولتية ودرجات الحرارة العالية.

يمكن أيضًا استخدام كربيد السيليكون في المواد المركبة، مثل كربيد السيليكون المعزز بألياف الكربون (CFRC)، لإنتاج هياكل قوية وخفيفة الوزن في الوقت نفسه تتحمل درجات الحرارة والضغوطات الشديدة، مثل تلك التي تحدث أثناء الكبح. وعلاوة على ذلك، يُستخدم كربيد السيليكون كمكون في الدروع الواقية من الرصاص مثل دروع تشوبهام حيث يمكنه تحمل الصدمات عالية السرعة.

تخزين الطاقة

يُعد كربيد السيليكون (SiC)، الذي يشار إليه عادةً باسم الكاربوروندوم، مادة قوية وحادة للغاية وتتمتع بأعلى قوة شد بين جميع المواد الطبيعية. يتبلور كربيد السيليكون في روابط تساهمية معبأة بإحكام من 4 ذرات سيليكون و4 ذرات كربون، وهو مادة شديدة المقاومة للأحماض والأملاح والقلويات غير العضوية بينما يمتلك واحدة من أعلى قوة شد متاحة اليوم.

تم إنتاج المويسانيت، الذي يوجد بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت النادر، بكميات كبيرة في شكل مسحوق منذ عام 1907 لخدمة استخدامات مختلفة مثل المواد الكاشطة لعجلات الطحن والتطبيقات الخزفية الصلبة مثل مكابح وقوابض السيارات وكذلك ألواح السيراميك الواقية من الرصاص. ومنذ عام 1907 تم استخدامه أيضًا في التطبيقات الإلكترونية مثل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وأجهزة الكشف.

SiC النقي هو عازل كهربائي. ومع ذلك، بإضافة مواد منشّطة مثل النيتروجين والفوسفور كمواد منشّطة (تُستخدم المواد المنشّطة لتعديل خصائص المواد)، تسمح هذه المواد المنشّطة ل SiC بالعمل كأشباه موصلات وتساعد الأجهزة الإلكترونية الكهربائية على التبديل بين الحالة الموصلة وغير الموصلة بكفاءة من أجل توليد الطاقة أو استهلاكها بكفاءة.

تقدم أشباه موصلات SiC تحسينات كبيرة مقارنة بأشباه موصلات السيليكون التقليدية عندما يتعلق الأمر بفقدان الجهد والتيار والكفاءة الحرارية وتقليل الحجم/الوزن مقارنة بنظيراتها من السيليكون. وعلى هذا النحو، فإن أشباه الموصلات السيليكونية تصلح للاستخدام المثالي في المحولات ومحولات التيار المستمر/التناوب الموجودة في السيارات الكهربائية لتسهيل الشحن السريع للتيار المستمر مع تقليل الحجم/الوزن عن طريق خفض أحجام/وزن المكونات الإلكترونية الأساسية للطاقة. كما يمكن أن تعمل حتى في درجات حرارة/ترددات أعلى من أشباه الموصلات العادية!