Siliciumkarbid

Siliciumcarbid (SiC) er et enestående materiale med fremragende fysiske egenskaber. Det er modstandsdygtigt over for høje temperaturer, korrosion og slid, samtidig med at det har en lav varmeudvidelse.

Moissanit forekommer naturligt i meget begrænsede mængder som et mineral og er siden blevet masseproduceret via Edward G. Achesons elektriske batchovnsproces, som fortsætter den dag i dag.

Karakteristika

Siliciumcarbid giver enestående kemisk og mekanisk styrke over et bredt temperaturspektrum og modstår korrosion og slid med sit høje elasticitetsmodul og lave varmeudvidelseskoefficienter. Desuden udviser siliciumcarbid god modstandsdygtighed over for termisk chok, dog i mindre grad end strukturel keramisk zirkonoxid.

SiC er generelt en elektrisk isolator, men med kontrolleret tilsætning af urenheder kan det blive elektrisk ledende. Når det dopes med aluminium, bor eller gallium, bliver det en halvleder af P-typen, mens doping med nitrogen eller fosfor giver anledning til halvlederegenskaber af N-typen.

Rent industrielt SiC er brunt til sort i farven på grund af jernurenheder. Som et polytype halvledermateriale varierer dets krystalstrukturer med hensyn til, hvordan kulstof- og siliciumatomer stables i tetraedre; dette gør det muligt at opføre sig enten som en isolator eller leder ved konstante temperaturer; desuden forbliver det uopløseligt i både vand og alkohol, men modstandsdygtigt over for de fleste organiske syrer, alkalier og salte.

Anvendelser

Siliciumcarbidkeramik anvendes inden for mange områder: fra slibe- og skæreværktøjer, strukturelle materialer (skudsikre veste og kompositpanser), bildele som bremseskiver og lynafledere til høj modstandsdygtighed over for korrosion og slid i miljøer som petrokemiske produktionsanlæg eller røggasafsvovlingssystemer.

SiC-enheder udnytter halvlederegenskaberne med bredt båndgab til at lede ved højere spændinger, hvilket giver mere kompakte strømkonverteringssystemer med reduceret energitab og kortere konverteringstider. Desuden overgik SiC-enhederne deres modstykker af silicium, når det gjaldt skiftestrøm og temperatur sammenlignet med deres modstykker af silicium, hvilket resulterede i betydelige effektivitetsgevinster for slutprodukterne.

Siliciumcarbid (SiC) revolutionerer hurtigt effektelektronikken på grund af sin unikke kombination af fysiske og elektroniske egenskaber. MOSFET'er og Schottky-dioder fremstillet af SiC er effekthalvlederteknologier, der anvendes i vid udstrækning og udgør nøglekomponenter i elbilers traktionsomformere og indbyggede opladere samt DC/DC-omformere, der findes på ladestationer - dette betyder forbedret batterirækkevidde i elbiler og øget effektivitet for industrielle anvendelser.

Produktion

Siliciumcarbid kan laves til en lang række materialer til forskellige formål. Maskiningeniører bruger det som avanceret keramik på grund af dets styrke, hårdhed, korrosions- og slidstyrke, og elektroingeniører bruger dets enestående elektriske egenskaber som halvledere. Desuden er siliciumcarbid en integreret del af kompositpansring som Chobham-pansring eller keramiske plader, der findes i skudsikre veste.

Edward Goodrich Acheson syntetiserede først SiC kunstigt i 1891, da han forsøgte at fremstille syntetiske diamanter. Han skabte hårde, blåsorte krystaller, som han kaldte carborundum, fordi de blev fejldiagnosticeret som en korundlignende forbindelse, men hans metode er siden blevet grundlaget for størstedelen af SiC-produktionen i dag.

Renheden af krystaller produceret i en Acheson-ovn varierer med deres afstand fra en varmekilde med grafitmodstand; dem, der er tættest på, har en tendens til at være klare, mens dem, der er længere væk, har en tendens til at blive mørkere med kvælstof- eller aluminiumsdoping, som reducerer ledningsevnen. Store enkeltkrystaller produceres kommercielt gennem modificerede Lely-processer eller fysisk damptransport.

Sikkerhed

Siliciumcarbidstøv kan være en irriterende gene, der kan bidrage til ikke-progressiv lungefibrose og forårsage irritation af næse og øjne. Langvarig eksponering kan endda føre til pneumokoniose - en kronisk lungesygdom med symptomer, der omfatter abnormiteter på røntgenbilleder af brystet og tab af lungefunktion; desuden øger det din risiko for tuberkulose.

På grund af sin overlegne hårdhed og stivhed giver kulfiberpanser ballistisk beskyttelse med en meget lavere produktvægt end traditionelle stålløsninger.

I nukleare anvendelser bruges SiC-beklædning på grund af dens fremragende bestrålingsevne, der overgår Zry-4 ved Tresca-spændingsniveauer på primær Tresca-spænding og derover, samtidig med at der opretholdes en acceptabel nedlukningsmargin. Desuden har det et lavere neutronabsorptionstværsnit; både SS-310 og FeCrAl-beklædninger udviser marginalt mere negative MTC-værdier ved BOL end SiC; dette falder dog betydeligt efter 5 s LBLOCA på grund af Doppler-udbredelse af fertile neutroner.