Силициев карбид

Силициевият карбид (SiC) е изключителен материал с изключителни физични свойства. Той е устойчив на високи температури, корозия и износване, като същевременно се характеризира с ниски коефициенти на топлинно разширение.

Моисанитът се среща в природата като минерал в много ограничени количества, а оттогава се произвежда масово чрез процеса с електрическа пещ за партидно изпичане, разработен от Едуард Г. Ачесън, който се използва и до днес.

Характеристики

Силициевият карбид притежава изключителна химическа и механична устойчивост в широк температурен диапазон, като благодарение на високия си модул на еластичност и ниския коефициент на топлинно разширение е устойчив на корозия и абразия. Освен това силициевият карбид проявява добра устойчивост на термичен шок, макар и в по-малка степен в сравнение със структурната керамика от цирконий.

SiC по принцип е електрически изолатор; при контролирано добавяне на примеси обаче той може да придобие електропроводимост. Когато се легира с алуминий, бор или галий, той се превръща в полупроводник от P-тип, докато легирането с азот или фосфор води до появата на свойствата на полупроводник от N-тип.

Чистият промишлен SiC е с цвят от кафяво до черно поради примесите от желязо. Като полупроводников материал с политип, кристалните му структури варират в зависимост от начина, по който атомите на въглерода и силиция се подреждат в тетраедри; това му позволява да се държи като изолатор или проводник при постоянни температури; освен това той остава неразтворим както във вода, така и в алкохол, но е устойчив на повечето органични киселини, алкали и соли.

Приложения

Керамиката от силициев карбид намира приложение в множество области: от абразивни и режещи инструменти, конструктивни материали (бронежилетки и композитни брони), автомобилни части като спирачни дискове и мълниеотводи до среди с висока устойчивост на корозия и абразия, като например нефтохимически производствени съоръжения или системи за десулфуризация на димните газове.

Силовите устройства на базата на SiC се възползват от свойствата на полупроводника с широка енергийна празнина, за да работят при по-високи напрежения, което позволява създаването на по-компактни системи за преобразуване на енергия с по-малки загуби на енергия и по-кратко време за преобразуване. Освен това устройствата на базата на SiC превъзхождат силициевите си аналози по отношение на характеристиките при превключване на тока и температурните характеристики, което води до значително повишаване на ефективността на крайните продукти.

Силициевият карбид (SiC) бързо революционизира силовата електроника благодарение на уникалното съчетание от физични и електронни свойства. MOSFET-ите и диодите на Шотки, изработени от SiC, са широко използвани технологии за силови полупроводници и представляват ключови компоненти в тяговите инвертори и бордовите зарядни устройства на електромобилите, както и в DC/DC преобразувателите, които се намират в зарядните станции – това води до по-голям пробег на електромобилите и по-висока ефективност при промишлените приложения.

Производство

Силициевият карбид може да се преработва в широк спектър от материали за различни приложения. Машиностроителите разчитат на него като съвременен керамичен материал заради неговата якост, твърдост, устойчивост на корозия и износване, а електроинженерите използват изключителните му електрически свойства като полупроводник. Освен това силициевият карбид играе съществена роля в съставните брони, като например бронята „Чобхам“ или керамичните плочи, използвани в бронежилетките.

Едуард Гудрич Ачесън за първи път синтезира изкуствено SiC през 1891 г., докато се опитваше да произведе синтетични диаманти. Въпреки че създаде твърди, синьо-черни кристали, които нарече „карборунд“, тъй като погрешно ги идентифицира като съединение, подобно на корунд, неговият метод оттогава насам се превърна в основа на по-голямата част от днешното производство на SiC.

Чистотата на кристалите, произведени в пещ тип „Ачесън“, варира в зависимост от разстоянието им до графитния резистивен източник на топлина; тези, които са най-близо до него, обикновено са прозрачни, докато по-отдалечените стават по-тъмни поради легиране с азот или алуминий, което намалява проводимостта. Големи монокристали, произвеждани на търговска основа чрез модифицирани процеси по метода на Лели или чрез физически транспорт на пари.

Безопасност

Прахът от силициев карбид може да бъде дразнещ фактор, който може да допринесе за развитие на непрогресираща белодробна фиброза и да предизвика дразнене на носа и очите. Продължителното излагане може дори да доведе до пневмокониоза – хронично белодробно заболяване, чиито симптоми включват аномалии на рентгеновите снимки на гръдния кош и загуба на белодробна функция; освен това то увеличава риска от туберкулоза.

Благодарение на своята изключителна твърдост и якост, бронята от въглеродни влакна осигурява балистична защита при значително по-ниско тегло на продукта в сравнение с традиционните стоманени решения.

В ядрените приложения се използва облицовка от SiC поради нейните изключителни характеристики при облъчване, които надвишават тези на Zry-4 при нива на напрежение по Треска, равни на първичното напрежение по Треска и по-високи, като същевременно се запазва приемлив резерв за изключване. Освен това тя се отличава с по-малко сечение на неутронно поглъщане; както обшивките от SS-310, така и тези от FeCrAl показват малко по-отрицателни стойности на MTC при BOL в сравнение с SiC; това обаче намалява значително след 5 s от LBLOCA поради доплерово разширяване на фертилните неутрони.