Nyheder om siliciumcarbid

Siliciumcarbid er et af de hårdeste kendte stoffer, der bruges som syntetisk slibemiddel og findes naturligt som moissanit i meteoritter; det kan også udvindes i miner.

SiC's brede båndgab gør det muligt at minimere koblingstab, samtidig med at det understøtter højere frekvenser, hvilket gør det ideelt til brug i højspændingshalvlederenheder som invertere i elektriske køretøjer (EV).

Hvad er siliciumcarbid?

Siliciumcarbid, eller SiC, er en ekstremt hård kemisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, der forekommer naturligt som den sjældne ædelsten moissanit; men i over 100 år er siliciumcarbidpulver og -krystaller blevet masseproduceret til brug som slibemiddel og til at skabe keramiske komponenter, der bruges i bilbremser og koblinger eller endda skudsikre veste. Med sin tætte krystallinske struktur, der består af nanokrystaller, er siliciumcarbid både ekstremt hårdt, meget holdbart og varmebestandigt.

Moderne producenter af siliciumcarbid til brug i slibemidler og metallurgiske industrier bruger Acheson-processen, hvor rent siliciumsand blandet med fintmalet koks placeres i en muret elektrisk modstandsovn og elektrificeres; elektricitet passerer gennem denne modstandsovn. Kulstof fra koks og silicium fra sand reagerer kemisk og producerer SiC i kernen og kulilte på overfladen. Denne proces foregår typisk ved meget høje temperaturer på mellem 1700-2500 grader. Denne proces producerer en solid cylindrisk barre med lag, der varierer fra grafit på indersiden over grafenrigt højkvalitets-SiC og grovkrystallinsk struktur til lavere kvaliteter som b-SiC til brug i metalbearbejdningsprocesser samt ureageret materiale på ydersiden, der kan smeltes om, hvis det er nødvendigt. SiC kan være enten sort eller grøn, afhængigt af hvilke råmaterialer der er brugt under forarbejdningen.

IPS Ceramics leverer alle større typer siliciumcarbid samt et omfattende udvalg af ovnmøbelprodukter til at arbejde med dette bemærkelsesværdige materiale. Vores team af keramikeksperter kan hjælpe med at vælge den SiC-type, der passer bedst til din anvendelse, og samtidig levere de værktøjer og maskiner, der er nødvendige for korrekt brug af slibemedier til fremstilling af de ønskede slutprodukter.

SiC betragtes generelt som inert uden toksikologiske egenskaber og med lav akut toksicitet, når det håndteres og fremstilles i henhold til standardpraksis, selvom langvarig eksponering kan forårsage mild hudirritation samt ændre inhalationstuberkulose hos forsøgsdyr, hvilket potentielt kan føre til omfattende fibrose og sygdomsprogression. For mere information se venligst databladet for humantoksicitet for denne forbindelse.

Hvordan fremstilles siliciumcarbid?

Siliciumcarbid, bedre kendt som det kemiske symbol SiC, har mange anvendelsesmuligheder som slibemiddel, keramisk materiale og halvledermateriale. Som et af de hårdeste materialer, der findes, og fordi det er stærkt og holdbart - kun overgået af diamant, når det gælder trækstyrke - har siliciumcarbid en overlegen varme- og kemisk inertitet, selv ved høje temperaturer, hvilket gør det til et uundværligt materiale i industrielle ildfaste materialer.

Edward Acheson syntetiserede først siliciumcarbid kunstigt i 1891, da han opdagede små sorte krystaller af det i en elektrisk opvarmet smelte af kulstof og aluminiumoxid og opkaldte processen efter sig selv; i dag er det stadig den primære metode til fremstilling af siliciumcarbid, der bruges i slibemidler, metallurgi, ildfaste materialer samt til fremstilling af naturlige moissanitmineraler.

I dag fremstilles siliciumcarbid ved hjælp af innovative processer til brug i forskellige specialapplikationer. Reaktionsbundet SiC (CB) produceres ved at blande pulveriseret silicium og kulstof med blødgøringsmiddel og forme det til en genstand; derefter brændes overskydende blødgøringsmiddel af; til sidst reageres det yderligere med gasformigt eller flydende silicium for at danne yderligere SiC-partikler. Reaktionsbundet SiC giver omkostningseffektive slidstærke belægninger samt smeltedigler af høj kvalitet, der bruges til at smelte og holde på metaller.

Kemisk dampudfældning og enkeltkrystalvækstmetoder til fremstilling af siliciumcarbid giver andre varianter. Det indebærer dyrkning af silicium og kulstof i vakuum eller ved høj temperatur til en boule, ligesom man fremstiller wafers til elektroniske enheder i fast tilstand. Når denne boule er færdig, kan den dopes med nitrogen eller fosfor for at fremstille en n-type halvleder eller beryllium, bor eller aluminium for at fremstille p-type halvledere.

Siliciumcarbid kan inddeles i flere kategorier afhængigt af kornstørrelse, bindemiddelsammensætning, renhedsniveau og densitet, partikelform eller hvordan det sintres. Slibende kvaliteter af siliciumcarbid kan blandes med andre forbindelser og formales til granulat til industrielle ildfaste materialer; dette granulat bruges derefter i cement, mursten og smeltedigler som erstatning for cement. Ildfaste materialer er forskellige alt efter, hvor præcist de er blevet blandet, og deres evne til at modstå høje temperaturer og kemisk stress - hver anvendelse kræver sin egen kvalitetsvurdering!

Hvad er de vigtigste anvendelser af siliciumcarbid?

Siliciumcarbid har mange anvendelsesmuligheder; det er et inert materiale med fremragende varmeledningsevne, en elektrisk isolator og har en regnbuelignende glans på grund af det passiveringslag af siliciumdioxid, der dannes på overfladen. Desuden har det fremragende modstandsdygtighed over for mange organiske og uorganiske syrer, baser og salte undtagen flussyre, som potentielt kan forårsage korrosionsproblemer.

SiC er et attraktivt halvledermateriale til brug i effektelektronik på grund af dets brede båndgab og fordele i forhold til siliciumhalvledere, såsom højere spændingstolerance, hurtigere driftshastighed og reducerede forbindelsestab. En enkelt krystal af SiC kan deponeres som en tetraedrisk formation med primære koordinationstetraedre bestående af fire kulstof- og fire siliciumatomer, der er forbundet i hjørnerne og stablet i polære strukturer; dopingstoffer kan derefter tilsættes til enten n-type eller p-type halvlederproduktion (Mantooth Zetterling Rusu).

Rent siliciumcarbid kan skabes gennem Lely-processen, hvor pulveriseret SiC sublimeres til højtemperaturarter som silicium, kulstof, siliciumdicarbid og disiliciumcarbid ved 2500 grader C i en argongasatmosfære. Kubiske siliciumcarbidkrystaller kan derefter dyrkes ved hjælp af kemisk dampudfældning med silan, hydrogen og nitrogen som forstadier for at producere enkeltkrystaller på op til 2 cm i størrelse gennem CVD-vækstprocesser såsom kemisk dampudfældning.

Siliciumcarbids modstandsdygtighed over for slid er en anden vigtig egenskab. Denne egenskab gør det populært som slibemateriale i bearbejdnings- og slibeprocesser samt lapidariske anvendelser, der involverer polering af fiberoptiske tråde før splejsning. Desuden bruges det ofte i smykker af siliciumcarbid.

Da det er et af de to hårdeste materialer på jorden, kan dele af siliciumcarbid være ekstremt udfordrende at bearbejde med de præcisionsmål, der kræves af sintrede siliciumcarbidprodukter. Sintret siliciumcarbid skal bestå en række strenge tests og inspektioner for at opfylde visse krav til mekaniske egenskaber; indåndingseksponering kan endda føre til lungeskader hos mennesker, herunder fibrose.

Hvad er fremtiden for siliciumcarbid?

Siliciumcarbid er et af verdens hårdeste stoffer og skal skæres med diamantspidsede klinger for at kunne skæres. På trods af denne vanskelighed vil siliciumcarbid kunne ændre industrier, der omsætter for flere milliarder dollars; f.eks. kan invertere og opladere til elbiler, der indeholder siliciumcarbid, fungere ved højere temperaturer end deres modstykker af silicium, mens deres kontakter kan være halvt så store, hvilket fører til vægtreduktion, omkostningsreduktion, kompleksitetsreduktion og længere batterilevetid sammenlignet med standard siliciumenheder.

Efterhånden som flere mennesker skifter til elbiler, vil efterspørgslen efter effektelektronik af siliciumcarbid vokse eksponentielt. Denne hurtige ekspansion er drevet af store, billige wafere, der produceres på specialiserede anlæg ved hjælp af sofistikeret udstyr, der muliggør krystalvækst i vakuummiljøer; derefter kan disse wafere bruges til fremstilling af effekthalvledere og andre enheder.

Effekthalvledere udgør størstedelen af det globale marked for siliciumcarbid og bruges i en lang række applikationer, fra elbiler og vindmøller til smartphones og computere. Desuden er denne teknologi for nylig blevet udbredt inden for olie- og gasindustrien som et middel til at forbedre sikkerheden og effektiviteten.

Producenter investerer i produktionskapacitet for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter siliciumcarbid-enheder, som dem SK Siltron i Bay City, Michigan, tilbyder, for at imødekomme dette behov for kvalitets-SiC-wafers, der er finansieret gennem et lån fra Department of Energy (DOE).

Andre producenter reagerer på den stigende efterspørgsel ved at gå ind på nye markeder. Kinas siliciumcarbid- og galliumnitridhalvlederindustri oplever en hurtig ekspansion takket være en stigning i efterspørgslen på halvledere til elbiler og industrielle anvendelser.

Siliciumcarbid har længe været anerkendt for sine ildfaste og slibende egenskaber samt sin evne til at fungere under barske forhold, hvilket gør det ideelt til robotteknologi, produktionsanlæg, motordrev og skæreværktøjer og slibeskiver, der kræver styrke og slidstyrke. Industrielle anvendelser udgør nu et af de største markeder for siliciumcarbid.