Приложения на силициевия карбид

Силициевият карбид (SiC) притежава необичайна кристална структура. Той съдържа четири атома Si и четири атома C, разположени в подредена координационна тетраедрична решетка, като слоевете са подредени в политипи, които образуват основния координационен тетраедър.

От електрическа гледна точка карбидът на силиция може да издържа на напрежения, които са пет до десет пъти по-високи от тези на силиция. Това го превръща в отличен избор на материал за силови устройства.

Електроника

Карбидът на силиция може да издържа на високите температури и напрежения, необходими за работата на съвременната електроника, и освен това е ефективен полупроводников материал в сравнение със силиция. Тази ефективност спомага за намаляване на размерите и цената на устройствата, захранвани с батерии.

Карбидът на силиция се отличава от силиция с това, че енергийната празнина между валентната и проводимата му ленти е значително по-малка, което позволява на електроните да преминават по-лесно между тези ленти в сравнение със силиция, като по този начин той може да пренася почти десет пъти по-голям електрически ток, отколкото сходните устройства, изработени от силиций.

Инженерите могат да произвеждат кубичен силициев карбид чрез синтероване на SiC прах в комбинация с неоксидни свързващи вещества. Освен това кристалите от SiC могат да се отглеждат и чрез химическо отлагане от пари. При тази техника във вакуумната камера се подава специална смес от газове, след което тя се отлага върху субстрати.

Физичните свойства на силициевия карбид, които включват твърди и издръжливи повърхности, както и неговата устойчивост към киселини, го превръщат в отличен абразивен материал за промишлени процеси на механична обработка, като например обработката на скъпоценни камъни. Зърната от карборунд се използват и в колаграфската печатна техника, където се нанасят директно върху алуминиева плоча, покриват се с мастило и след това се притискат върху хартия за печат.

Бронирана екипировка

Керамиката от силициев карбид е отличен избор за бронежилетки благодарение на способността ѝ да абсорбира енергията на летящите тела и да забавя скоростта им, като по този начин намалява риска от наранявания или смърт. Леката ѝ структура осигурява по-голяма подвижност и комфорт на носещите я, а високата ѝ твърдост ѝ позволява да издържа на заплахи като куршуми и бронепробивни патрони, както и на фрагменти с висока скорост.

Бронежилетките от силициев карбид са достъпни както за военнослужещи, така и за служители на правоохранителните органи с цел защита от заплахи, свързани с огнестрелно оръжие и остри оръжия. Преди да бъдат пуснати в продажба както за крайни потребители, така и за производители, бронежилетките от силициев карбид трябва да преминат през строги процедури за изпитване, които потвърждават, че отговарят на международните стандарти.

Бронежилетките от силициев карбид предлагат няколко основни предимства в сравнение с металните си аналози, включително изключителна термична устойчивост, която ги предпазва от деформация при удар, както и високата твърдост и якост на опън на материала от силициев карбид, които запазват плочата цяла дори при попадане на куршуми, като по този начин се избягват счупвания или разкъсвания.

Патентът на Кук описва подробно всички класически принципи на керамичната композитна броня – от използването на множество плочки от алуминиев оксид под формата на мозайка за постигане на максимална устойчивост при многократни удари до твърдата основа и концепцията за конус на счупване. Макар че повечето керамични материали лесно се разрушават от кумулативни заряди, този конкретен дизайн на плочи от силициев карбид с алуминиево-оксидна основа успя да издържи цялата им сила по време на тестове с кумулативни заряди, което го прави подходящ както за полицейски превозни средства, така и за граждански превозни средства със специално предназначение.

Енергийно снабдяване

Полупроводниците от силиций (Si) се представят добре в електрониката с ниска мощност, но техните ограничения стават очевидни, когато устройствата работят при по-високи температури, напрежения и честоти. Карбидът на силиция (SiC) предлага по-добри характеристики от силиция (Si) в такива вериги благодарение на по-голямата си енергийна лентова празнина, която позволява издържане на по-високи температури, както и на по-добрите си свойства за термично управление.

Технологията на силициевия карбид позволява също така електронните компоненти да бъдат по-малки и да работят по-бързо, благодарение на отличната си устойчивост към колебания в електрическото напрежение – десет пъти по-висока от тази на традиционния силиций и галиевия нитрид в системи с напрежение над 1000 V. Поради това силовите устройства от силициев карбид са идеални за електромобили (EV), соларни инвертори и други системи за възобновяема енергия.

Карборундът (Ceram) е кристалната форма на силициевия карбид. Произвеждан от 1893 г. като абразив, Ceram играе също така съществена роля в производството на керамични плочи за бронежилетки и се счита за един от най-твърдите материали, отстъпващ само на диаманта. Обработката на този материал с прецизни допуски изисква висока степен на квалификация, тъй като могат да се използват различни техники за шлифоване и полиране; след като готовите продукти преминат задълбочени проверки, за да се гарантират техните механични свойства и спазването на стандартите за безопасност.

Механични приложения

Силициевият карбид отдавна се счита за безценен промишлен абразив благодарение на изключителната си твърдост и издръжливост, което го прави подходящ за шлифоване или рязане на материали с ниска якост на опън, включително стъкло, керамика, камък и огнеупорни материали. Благодарение на своята устойчивост при екстремни условия той се е наложил като популярен материал за абразивни дискове; освен това неговата издръжливост го превръща в неразделна част от съвременното оборудване за обработка на скъпоценни камъни, предназначено за изрязване и полиране, включително и на моисанит.

PEEK е химически инертен и изключително устойчив на корозия при високи температури. Освен това неговият много висок модул на еластичност осигурява отлична стабилност на размерите; благодарение на високата си якост на натиск, ниската порьозност и нулевата плътност на порите, той е идеалният материал за механични уплътнения и лагери, което го прави особено подходящ за помпени и задвижващи системи, които работят с агресивни среди.

Силициевият карбид може да се използва в широк спектър от твърдотелни устройства. Благодарение на кристалната си структура и необичайните си електрически свойства, силициевият карбид се отличава от конкурентите си с това, че може да функционира както като полупроводник от P-тип, така и като полупроводник от N-тип в зависимост от температурата и приложението – предимство, което прави този материал идеален за приложения като огнеупорни облицовки, електрически пещи, керамика и други.