ما هو كربيد السيليكون؟

يُستخدم كربيد السيليكون في الأجهزة الإلكترونية التي تعمل على تضخيم الإشارات أو تبديلها أو تحويلها داخل دائرة كهربائية. ونظرًا لانخفاض مقاومته للجهد وقدراته في درجة الحرارة، فإن هذه الأجهزة قادرة على العمل بترددات أعلى مع خسائر أقل في الطاقة.

يتم إنتاج SiC من خلال فرن كهربائي باستخدام عملية Acheson وعن طريق تسخين رمل السيليكا الممزوج بالكربون عادةً من فحم الكوك البترولي، في فرن كهربائي. والناتج النهائي لهذا هو حبيبات بلورية صغيرة ذات ألوان خضراء أو سوداء حسب مستويات النقاء.

الخصائص

كربيد السيليكون (كذا) هو مادة صلبة رمادية فاتحة اللون مرتبطة تساهمياً وذات درجة انصهار عالية للغاية ومقاومة قوية للتآكل، كما أنها تتميز بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والاهتزازات بالإضافة إلى كونها صلبة وقوية وكثيفة. وتتكون بنيته البلورية من رباعي الازدواجية الأولية المتناسقة المتقاربة المكونة من أربع ذرات سيليكون متصلة بأربع ذرات كربون مرتبة بشكل سداسي داخل وحدات سداسية لتسهيل عملية التصنيع؛ وتوفر هذه الرباعيات الازدواجية الأولية خصائص كهربائية مثيرة للاهتمام - مثل العمل كعازل في شكل نقي بينما يمكن أن تظهر شبه موصلة أو موصلة عند تطعيمها بعناصر أخرى.

ونظرًا لطبيعته الصلبة والكاشطة وخصائصه المقاومة للتآكل، يُستخدم كربيد السيليكون منذ فترة طويلة كمادة كاشطة في تطبيقات الطحن والسفع الرملي والشحذ والقطع بالنفث المائي وكذلك في تطبيقات إنتاج المعادن والصلب منذ أواخر القرن التاسع عشر. وعلاوةً على ذلك، يلعب كربيد السيليكون دورًا أساسيًا في تصنيع أقراص المكابح الخزفية للسيارات مما يقلل من الاحتكاك وانبعاثات الضوضاء.

تتميز أشباه موصلات كربيد السيليكون بمزايا كبيرة مقارنةً بأشباه موصلات السيليكون في التطبيقات الإلكترونية، بما في ذلك قوة مجال كهربائي أكبر بعشر مرات من قوة المجال الكهربائي للانهيار، ومقاومة أقل بكثير لطبقة الانجراف لكل مساحة، وتحمل أكبر للجهد (600 فولت إلى آلاف الفولتات). كما تتيح الطبقات الرقيقة من كربيد السيليكون للأجهزة تحقيق أحجام أصغر وكثافة طاقة أعلى، مما يدفع إلى اعتمادها للاستخدام في أنظمة إدارة الطاقة في السيارات الكهربائية، وهو ما يدعم زيادة مسافة تشغيل البطارية.

التطبيقات

يتميز كربيد السيليكون بخصائص ترايبولوجية ممتازة ومتانة عالية ومقاومة للتآكل، ويمكن أن يعمل تحت درجات حرارة عالية دون تدهور أو تشقق. يُستخدم كربيد السيليكون كجزء من أدوات كربيد التنجستن وكذلك في تطبيقات التفجير كمادة كاشطة.

تتطلب رقاقات كربيد السيليكون، التي يشيع استخدامها في الأجهزة الإلكترونية، طاقة أقل من نظيراتها من السيليكون لتعمل بفعالية عند الفولتية ودرجات الحرارة والترددات والتوصيل الحراري الأعلى؛ وعلاوة على ذلك، فهي تتمتع بمقاومة أكبر للتوصيل الحراري وتحمل الصدمات الحرارية، مما يؤدي إلى مكونات سلبية أصغر حجماً مع انخفاض الوزن والتكاليف بشكل عام مقارنة بالحلول القائمة على السيليكون. تعد ثنائيات Schottky وMOSFETs (في كل من العبوات المنفصلة ووحدات الطاقة) أمثلة شائعة لاستخدامات هذه المواد.

تُعد SiC مادة رائعة للعمل بها؛ ومع ذلك، يتطلب إنتاجها عملية معقدة تتضمن خلط المواد الخام وسحقها وتلبيدها قبل تحويلها إلى مسحوق أسود أو رمادي كثيف يمكن بعد ذلك تقطيعه أو طحنه إلى أحجام محددة لاستخدامات مختلفة.

تقدم مطاحن واشنطن كربيد السيليكون CARBOREX(r) في مختلف الكيميائيات والأحجام لخدمة مجموعة من الصناعات مثل السفع الكاشطة وعزل السيراميك والحراريات المعدنية الحرارية الحرارية سلك مقاومة التآكل. فريق الخبراء لدينا هنا ليعرض لك جميع إمكانياته!

التصنيع

يتم إنتاج كربيد السيليكون السيلكون من خلال تلبيد خليط من المواد الخام المطحونة بدقة. قد تشمل هذه المواد الخام عناصر مختلفة مثل الرمل وفحم الكوك البترولي أو حتى مادتين أو أكثر من المواد المختلفة التي يتم خلطها وفقًا لنسب محددة قبل وضعها في فرن القوس الكهربائي وتسخينها حتى درجات حرارة عالية. يتم حرق جزيئات فحم الكوك أو الرمل لإنتاج الكربون الذي يرتبط بعد ذلك مع السيليكون لتكوين ما نعرفه باسم كربيد السيليكون.

يتم تنقية كربيد السيليكون الخام من خلال الفرز والطحن والمعالجات الكيميائية لإنتاج حبيبات ومساحيق نهائية مناسبة للاستخدامات المختلفة. يشيع استخدام كربيد السيليكون الأسود الرمادي مع وجود الماس ونتريد البورون المكعب فقط الأكثر صلابة في صناعة ألواح السيراميك المستخدمة في السترات الواقية من الرصاص - مما يوفر حماية موثوقة من المقذوفات وفي الوقت نفسه أخف وزنًا بكثير من خيارات الفولاذ المصفح أو أكسيد الألومنيوم.

إن كربيد السيليكون النقي غير شائع في الطبيعة ويجب إنتاجه صناعياً من خلال وسائل اصطناعية. وتتضمن طريقة ليلي تسخين بوتقة من الجرانيت في درجات حرارة عالية لتسخين مسحوق كربيد السيليكون إلى بلورات يتم ترسيبها بعد ذلك على ركائز الجرافيت في درجات حرارة منخفضة باستخدام عملية أخرى تعرف باسم التسامي. وعند اكتمالها، يمكن بعد ذلك تقليم البلورات إلى الأحجام والأشكال المرغوبة قبل أن يتم تطعيمها بالشوائب مثل البورون لإنتاج توصيل من النوع P في كربيد السيليكون.

السلامة

إن مقاومة كربيد السيليكون لدرجات الحرارة العالية والإشعاع تجعله المادة المثالية للإلكترونيات في المركبات الفضائية التي تعمل على سطح الزهرة الحارق الذي تبلغ حرارته 460 درجة مئوية والضغوط الجوية الشديدة للمشتري. وستتيح إلكترونيات كربيد السيليكون الصلبة الإشعاعية إمكانية استخدام مركبات فضائية أصغر حجماً، ويمكن تضمين المزيد من الأجهزة العلمية في كل مهمة وعمليات أطول مدة - مما يؤدي إلى تقليل الحجم والوزن مع تحسين فترات عمل المهمة.

تعتبر مركّبات مصفوفة سيكلوريد السيليكون المعززة بالألياف المستمرة (SiCf/SiC) مواد واعدة للجدران والبطانيات الأولى لمفاعلات الاندماج في المستقبل، حيث تمتلك العديد من الخصائص المرغوبة بما في ذلك الأداء الميكانيكي في درجات الحرارة العالية مع قدرة فائقة على تحمل الأضرار مقارنةً بالسيكل الأحادي المترابط [1،2]، والتوصيل الحراري المتميز وانخفاض التنشيط للنشاط الإشعاعي الناجم عن النيوترونات [3-6].

يوضح الشكل 9 أ-ج أنه، وفقًا لنتائج التحليل الهيكلي المعروضة هنا، تُظهر كل من كسوة SS-310 وZry-4 هوامش أمان متشابهة خلال فترات إجهاد التريسكا الأولية في LBLOCA؛ ومع ذلك، يظهر أن سيليكون الكربون يوفر هوامش أمان أكبر نظرًا لتفوق قيم إجهاد التريسكا الأولية وقيم قوة الشد النهائية مقارنةً بـ Zry-4.

ويوضّح الشكل 11 أن تأثيرات التدريع الذاتي المكاني تختلف وفقاً لنوع الكسوة، كما هو مبين في الشكل 11. وكما يمكن أن يُلاحظ بالنسبة لكل نموذج (SiC أو SS-310)، يختلف تراكم البلوتونيوم-239 أثناء اختبارات LBLOCA مع كريات الوقود من كل منهما، مما يؤدي إلى زيادة تركيز البلوتونيوم-239 بالقرب من نماذج الكسوة الخاصة بكل منهما (نموذج SS-310 هو الأكثر احتمالاً) أثناء فترة بقاء الكريات في حالة التشغيل الآجل وفترة التشغيل المؤقت مقارنةً بنموذج SiC.