Vlastnosti a aplikace karbidu křemíku

Karbid křemíku je jedním z nejtvrdších a nejpevnějších materiálů na Zemi, který je známý svou pevností, tepelnou vodivostí a odolností vůči kyselinám, což jsou vlastnosti, díky nimž je vhodný pro použití v různých průmyslových odvětvích.

SiC je přirozeně se vyskytující minerál známý jako moissanit; od roku 1893 se však masově vyrábí ve formě prášku a krystalů pro použití jako brusivo a pro další průmyslové a polovodičové substráty.

Charakteristika

Karbid křemíku má jedinečné vlastnosti, které z něj činí jeden z nejvýhodnějších průmyslových materiálů. Mezi pokročilými keramickými materiály je zejména tvrdý a lehký; dále se může pochlubit vynikající tepelnou vodivostí s nízkou tepelnou roztažností; navíc snadno zvládá erozi a otěr - tyto vlastnosti jej předurčují k použití v systémech obložení mlýnů, součástech cyklonů, tryskách postřikovačů a extrudérů.

Karbid křemíku je v čistém stavu elektrický izolant. Přidáním řízených příměsí však lze karbid křemíku přimět, aby se choval jako polovodič - hliník, bór a galium mohou vytvořit zařízení typu P, zatímco dusík a fosfor dávají vzniknout zařízením typu N.

Tranzistory SiC se ve srovnání se svými křemíkovými protějšky vyznačují vyšším průrazným napětím a nižším zapínacím odporem, což umožňuje vyšší spínací frekvence a menší systémy výkonové elektroniky. Střídače pro nabíjení elektromobilů mohou využívat SiC ke snížení velikosti a hmotnosti svých systémů řízení napájení a ke zvýšení dojezdu.

Vlastnosti

Karbid křemíku, častěji označovaný jako SiC, je mimořádně tvrdá, synteticky vyráběná krystalická sloučenina složená z křemíku a uhlíku, která je chemicky inertní a odolná proti korozi (i když náchylná k působení kyseliny chlorovodíkové, sírové nebo jiných kyselin).

Karbid křemíku se může pochlubit mnoha výhodnými vlastnostmi, které z něj činí cenný materiál, včetně vysoké pevnosti a tuhosti, nízké tepelné roztažnosti, odolnosti proti oxidaci a otěru a zachování pružnosti i při vysokých teplotách. Díky této kombinaci keramických a polovodičových vlastností je vynikající volbou materiálu pro konstrukční keramiku i abraziva.

Čistý SiC je bezbarvý krystal. Přidáním různého množství příměsí však lze jeho elektrické vlastnosti změnit na polovodič. Vrstevnaté struktury uvnitř krystalů vytvářejí různé polytypy karbidu křemíku s jedinečnou krystalovou strukturou; nejčastěji se vyskytuje hexagonální krystalová struktura 6H-SiC vhodná pro výkonovou elektroniku díky široké hodnotě pásmové mezery 1,12eV podle společnosti Wolfspeed.

Aplikace

Jedinečné fyzikální a elektronické vlastnosti karbidu křemíku přinášejí revoluci do výkonové elektroniky. Nová zařízení vyrobená s použitím SiC se ve srovnání se svými předchůdci vyznačují vyšší spolehlivostí, nižšími ztrátami energie, rychlejšími spínacími časy a vyšší energetickou účinností.

Čistý karbid křemíku se chová jako elektrický izolant, avšak jeho dopování řízenými příměsemi (tzv. dopanty) mu za určitých okolností umožňuje vést elektrický proud. Dopování hliníkem, borem a heliem vytváří polovodiče typu P; dopování fosforem a dusíkem vytváří polovodiče typu N.

Atomová struktura karbidu křemíku se podobá atomům uhlíku a křemíku kovalentně vázaným do dvou primárních koordinačních tetraedrů, přičemž čtyři atomy uhlíku a čtyři atomy křemíku se vzájemně kovalentně vážou a vytvářejí dva primární koordinační tetraedry - každý se skládá ze čtyř atomů uhlíku a čtyř atomů křemíku vzájemně kovalentně vázaných kovalentními vazbami. Lze jej pěstovat do různých tvarů; obvykle se rozemele na jemný prášek a poté smíchá s neoxidovými spékacími prostředky, jako jsou organokřemičitá pojiva, za vzniku pastovité směsi, kterou lze následně tvarovat pomocí izostatického lisování za studena nebo vytlačování - hojně se používá v řezných nástrojích, konstrukčních materiálech (neprůstřelné vesty/kompozitní pancíře), při výrobě automobilových dílů, při výrobě zrcadlových materiálů a také jako materiál pro zrcadla astronomických dalekohledů.

Výroba

Karbid křemíku je jedním z nejtvrdších a nejpevnějších pokročilých keramických materiálů, který se vyznačuje nízkou tepelnou roztažností, odolností proti kyselinám, erozi a vynikající odolností proti opotřebení.

Výroba karbidu křemíku zahrnuje různé chemické reakce, ale nejčastěji se používá Achesonův proces. Ten zahrnuje zahřívání směsi oxidu křemičitého a koksu při vysokých teplotách, dokud jejich chemické látky chemicky nezreagují a nevytvoří krystaly.

Tyto krystaly se pak rozemelou na jemný prášek a v kombinaci s neoxidovými spékacími prostředky, jako jsou organokřemičitá pojiva, se vytvoří pasta, která se zhutní a vytvaruje vytlačováním nebo izostatickým lisováním za studena.

Karbid křemíku je díky své tvrdosti a odolnosti nepostradatelným materiálem v moderním lapidáriu. Díky své všestrannosti se používá pro výrobu všeho možného, od vyzdívek pecí, řezných nástrojů a brusných kotoučů, přes součásti odolné proti opotřebení v čerpadlech a raketových motorech, součástky výkonové elektroniky s nízkým odporem až po tenčí destičky díky nižšímu průraznému napětí.