Какво представлява силициевият карбид?

Силициевият карбид (SiC) е изключително твърд и износоустойчив керамичен материал, който се използва в автомобилните спирачки и съединители за дълготрайни части.

Механичните свойства включват ниско термично разширение и висока твърдост.

Тези качества правят материала подходящ за силовата електроника, където по-широката му разделителна ивица позволява по-високи работни напрежения от традиционните силициеви инвертори.

Твърдост

Силициевият карбид (SiC) е един от най-твърдите синтетично произведени материали, отстъпващ само на боровия карбид и диаманта. С изключителна степен на износоустойчивост и термично стабилни свойства SiC представлява идеален избор на материал за приложения, изискващи висока издръжливост или температурна устойчивост.

SiC прахът образува кристални структури с цвят от жълто-зелен до синьо-черен в зависимост от чистотата му. SiC е неразтворим във вода, но в малко по-голяма степен в алкали или желязо.

SiC керамиката може да бъде значително увеличена чрез добавяне на меки фази, като GNP и Ti, или чрез синтероване с материали, като ниобиев карбид, за да се увеличи плътността [17], което води до по-висока топлопроводимост на крайния продукт и повишена твърдост (размерът на зърната се увеличава и реакционната връзка се увеличава с температурата). Въпреки това максималните температури не трябва да се превишават, тъй като в противен случай SiC частиците могат да загубят кристалната си структура и да станат крехки с течение на времето.

Топлопроводимост

Превъзходната топлопроводимост на силициевия карбид го прави материал за приложения, изискващи бърза и надеждна работа при изключително високи температури и напрежения. Неговата устойчивост на напрежение е десет пъти по-висока от тази на силиция, като превъзхожда галиевия нитрид в системи, работещи с напрежение над 1000 V.

Широката разделителна способност на силициевия карбид му позволява да работи добре в устройства, които са чувствителни към промени в температурата и напрежението, като например тези, използвани за захранване на електрически превозни средства. Освен това широколентовата граница на силициевия карбид го предпазва и от корозия и окисляване.

Силициевият карбид може да се произвежда в различни форми и размери в зависимост от предназначението му. Най-често той се произвежда като фин прах, който се смесва с неоксидни спомагателни вещества за синтероване, за да се образува паста, която след това може да се уплътни чрез екструдиране, шприцване или пресоване за целите на уплътняването или оформянето. Други методи могат да включват процеси на отлагане на химически пари или синтез на въглеродна основа, при които се получава кубичен SiC, който служи като абразивен материал по време на процеси на шлифоване, хонинговане и рязане с водна струя.

Топлинно разширение

Силициевият карбид е здрав материал с отлична устойчивост на термични удари, което го прави подходящ за различни процеси на абразивна обработка, като шлифоване, хонинговане и рязане с водна струя. Освен това относително ниският му коефициент на термично разширение гарантира, че той остава стабилен по отношение на размерите във времето; това прави силициевия карбид незаменим абразив в съвременното лапидарство.

Силициевият карбид притежава плътно подредена структура, съставена от два първични координационни тетраедъра, състоящи се от по четири силициеви и четири въглеродни атома, които са ковалентно свързани помежду си и образуват плътно подредени политипни структури.

Кристалната структура на силициевия карбид може да бъде променена, за да се променят еластичните му свойства, което осигурява контрол на еластичните му свойства. Бяха проведени изчисления на първи принципи с помощта на теория на функционала на плътността, за да се изследва как различни дефекти, като вакантност, интерстициални и антиситни дефекти, влияят върху еластичните константи на SiC и ZrC; например доминиращият VC дефект драстично намалява C44 , докато други дефекти имат минимално влияние, като VSi и Sit.

Електрическа проводимост

Силициевият карбид се състои от хексагонални кристали, съединени със силни ковалентни връзки, които създават траен материал, използван в най-различни приложения като шкурка, шлифовъчни дискове и режещи инструменти още от откриването му в края на XIX век. Напоследък той се използва и в огнеупорни облицовки на промишлени пещи, износоустойчиви части за помпи и ракетни двигатели и като полупроводников субстрат за светодиоди (LED).

Силициевият карбид в чисто състояние е електрически изолатор; с контролирано добавяне на примеси, известни като допанти, той може да се превърне в електрически полупроводник. Азотните и фосфорните допанти създават полупроводникови свойства от N-тип; алуминиевите, боровите или галиевите допанти го превръщат в свойства от P-тип.

Широката разделителна ивица на силициевия карбид му позволява да провежда електричество по-ефективно от традиционните полупроводници, което води до устройства с по-малки размери, по-бързо време за работа, по-висока температурна устойчивост и толерантност към напрежение; и по-голям капацитет за обработка на енергия, което води до намаляване на разходите в много приложения.