Χρήσεις καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου, που συνήθως αναφέρεται ως καρβορουνδίου /karb@rndu/, είναι μια εξαιρετικά σκληρή συνθετική κρυσταλλική ένωση πυριτίου και άνθρακα που χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως λειαντικό και ανθεκτικό στη φθορά υλικό σε διάφορους τομείς όπως τα πυρίμαχα υλικά και τα κεραμικά, η παραγωγή εξαρτημάτων ανθεκτικών στη φθορά, η παραγωγή υποστρώματος διόδων εκπομπής φωτός και υποστρώματος ημιαγωγών για διόδους εκπομπής φωτός (LED). Από τα τέλη του 19ου αιώνα χρησιμεύει επίσης ως υπόστρωμα ημιαγωγού σε διόδους εκπομπής φωτός (LED).

Τα ηλεκτρονικά ισχύος που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις βασίζονται επίσης σε αυτό το υλικό για αξιόπιστη λειτουργία.

Δίσκοι φρένων υψηλής απόδοσης

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), το οποίο από το 1891 αναφέρεται κοινώς ως καρβορουνδία, παράγεται ευρέως από τότε που ανακαλύφθηκε και τέθηκε σε μαζική παραγωγή. Χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές που απαιτούν ακραία αντοχή, όπως τα φρένα και οι συμπλέκτες αυτοκινήτων, καθώς και οι πλάκες αλεξίσφαιρων γιλέκων που περιέχουν κεραμικές πλάκες κατασκευασμένες από αυτή την ένωση κατατάσσεται στο 9 στην κλίμακα σκληρότητας Mohs - δεύτερο μόνο μετά το διαμάντι μεταξύ των φυσικών ουσιών.

Το SiC είναι σχετικά εύκολο στην κατεργασία και την κατασκευή, γεγονός που το καθιστά δημοφιλή επιλογή για εξαρτήματα που έρχονται σε επαφή με υψηλές θερμοκρασίες, όπως οι δίσκοι φρένων. Επειδή οι επιφάνειες τριβής τους μπορεί να φτάσουν σε θερμοκρασίες που θα έλιωναν τον χάλυβα ή θα κατέστρεφαν άλλα υλικά, πολλά συστήματα πέδησης χρησιμοποιούν δίσκους με εξαερισμό με πολλαπλές οπές ή σχισμές που έχουν σχεδιαστεί για να απελευθερώνουν τα αέρια που παράγονται όταν θερμαίνεται η επιφάνεια τριβής τους.

Το SiC παράγεται από διάφορους κατασκευαστές για χρήση σε λειαντικά, μεταλλουργικές και πυρίμαχες βιομηχανίες. Ο Edward Acheson εισήγαγε μια αποτελεσματική μέθοδο για τη δημιουργία αυτού του υλικού το 1891 - η τοποθέτηση καθαρής πυριτικής άμμου με αλεσμένο άνθρακα κοκ σε ηλεκτρικά θερμαινόμενο κλίβανο και η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από αυτόν προκαλεί χημικές αντιδράσεις που παράγουν μικρούς κρυστάλλους SiC οι οποίοι αλέθονται σε μορφή σκόνης για εμπορική χρήση.

Αλεξίσφαιρη πανοπλία

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), είναι μια εξαιρετικά σκληρή συνθετικά παραγόμενη κρυσταλλική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα και ξεπερνιέται σε σκληρότητα μόνο από το καρβίδιο του βορίου και το διαμάντι στην κλίμακα Mohs. Από τα τέλη του 19ου αιώνα χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά, όπως τροχοί λείανσης, κοπτικά εργαλεία και γυαλόχαρτο, λόγω της σκληρότητάς του και άλλων επιθυμητών ιδιοτήτων. Επιπλέον, μπορεί να βρεθεί ως μέρος πυρίμαχων υλικών, κεραμικών ή ακόμη και ημιαγώγιμων υποστρωμάτων για διόδους εκπομπής φωτός (LED).

Ο Edward Acheson παρήγαγε για πρώτη φορά τεχνητά μοισσανίτη γύρω στο 1891, όταν έκανε μια απροσδόκητη ανακάλυψη μικρών μαύρων κρυστάλλων κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας θέρμανσης μιγμάτων άνθρακα και αλουμίνας, γεγονός που τον οδήγησε στη δημιουργία της διαδικασίας Acheson και στην εμπορική παραγωγή. Το φυσικό αντίστοιχό του μπορεί να βρεθεί μόνο σε μετεωρίτες ή σε ορισμένα πυρίμαχα υλικά.

Το SiC αποτελείται από στενά στοιβαγμένα στρώματα που συνδέονται μεταξύ τους μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Καθένα από αυτά τα στρώματα περιέχει δύο πρωταρχικά τετράεδρα συντονισμού που αποτελούνται από τέσσερα άτομα πυριτίου και τέσσερα άτομα άνθρακα τοποθετημένα σε διάφορες διατάξεις για να σχηματίσουν διαφορετικούς πολυτύπους SiC- αυτές οι δομές προσφέρουν εξαιρετική σκληρότητα με μεμονωμένες φυσικές ιδιότητες που ποικίλλουν σημαντικά.

Το SiC είναι ιδανικό υλικό για εξαρτήματα που υπόκεινται σε ακραία φορτία και ακραίες θερμοκρασίες, όπως ρουλεμάν αντλιών, βαλβίδες, εγχυτήρες αμμοβολής, εφαρμογές στεγανοποίησης αξόνων σε υψηλές ταχύτητες, καθώς και κάτοπτρα σε μεγάλα αστρονομικά τηλεσκόπια, λόγω του συνδυασμού αντοχής, ακαμψίας, θερμικής αγωγιμότητας και χαμηλών ιδιοτήτων θερμικής διαστολής. Ως αποτέλεσμα αυτών των χαρακτηριστικών χρησιμοποιείται συχνά σε μηχανολογικές εφαρμογές που απαιτούν εξαρτήματα με αυτά τα χαρακτηριστικά, όπως ρουλεμάν αντλιών. βαλβίδες αμμοβολή εγχυτήρες καθώς και στεγανοποίηση άξονα σε υψηλές ταχύτητες.

Υλικά ημιαγωγών

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει γνωρίσει εξαιρετική αύξηση της δημοτικότητας λόγω της αυξημένης ζήτησης ηλεκτρονικών ισχύος. Ο συνδυασμός φυσικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του το καθιστούν ιδανικό για την παραγωγή υψηλότερων ηλεκτρικών πεδίων διάσπασης, χαμηλότερων απωλειών μεταγωγής και μεγαλύτερης ενεργειακής απόδοσης.

Το καρβίδιο του πυριτίου, αν και κανονικά είναι μονωτής, μπορεί να μετατραπεί σε ημιαγωγό με πρόσμιξη ορισμένων προσμίξεων. Όταν προστίθεται με προσμίξεις αλουμινίου, βορίου, γαλλίου ή αζώτου (ημιαγωγός τύπου Ρ), το καρβίδιο του πυριτίου συμπεριφέρεται ως ημιαγωγός τύπου Ν. Όταν προστίθεται με προσμίξεις φωσφόρου, συμπεριφέρεται ως ημιαγωγός τύπου Ν. Οι παράγοντες πρόσμιξης επηρεάζουν την κινητικότητα των ηλεκτρονίων όσον αφορά τη δομή των ζωνών - τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος των ζωνών αγωγιμότητας ενώ οι οπές ταξιδεύουν στις ζώνες σθένους.

Το SiC είναι γνωστό για το εξαιρετικά ευρύ χάσμα ζώνης που του επιτρέπει να επιτυγχάνει πολύ υψηλότερα ηλεκτρικά πεδία διάσπασης από το συμβατικό πυρίτιο. Αυτό οδηγεί σε μειωμένες απώλειες μεταγωγής και μικρότερη χρήση εξαρτημάτων με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση- κάτι ιδιαίτερα πολύτιμο στα συστήματα μετατροπής ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων που πρέπει να αντέχουν σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε σύνθετα υλικά, όπως το καρβίδιο πυριτίου ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CFRC), για την παραγωγή ισχυρών αλλά ελαφρών δομών που αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες και καταπονήσεις, όπως αυτές που παρατηρούνται κατά την πέδηση. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμεύει ως συστατικό σε αλεξίσφαιρη θωράκιση, όπως η θωράκιση Chobham, καθώς μπορεί να αντέξει κρούσεις υψηλής ταχύτητας.

Αποθήκευση ενέργειας

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), που συνήθως αναφέρεται ως καρβορουνδία, είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό και αιχμηρό υλικό με την υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό μεταξύ όλων των φυσικών υλικών. Κρυσταλλωμένο σε σφιχτά συσκευασμένους ομοιοπολικούς δεσμούς 4 ατόμων πυριτίου και 4 ατόμων άνθρακα, το SiC είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στα ανόργανα οξέα, άλατα και αλκάλια, ενώ διαθέτει μία από τις υψηλότερες αντοχές εφελκυσμού που διατίθενται σήμερα.

Ο μοισσανίτης, ο οποίος υπάρχει στη φύση ως το σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης, παράγεται μαζικά σε μορφή σκόνης από το 1907 για διάφορες χρήσεις, όπως λειαντικά για τροχούς λείανσης και σκληρές κεραμικές εφαρμογές, όπως φρένα και συμπλέκτες αυτοκινήτων, καθώς και κεραμικές πλάκες αλεξίσφαιρων γιλέκων. Από το 1907 χρησιμοποιείται επίσης σε ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) και ανιχνευτές.

Το καθαρό SiC είναι ηλεκτρικός μονωτής. Ωστόσο, με την προσθήκη προσμίξεων όπως το άζωτο και ο φώσφορος ως προσμίξεις (οι προσμίξεις χρησιμοποιούνται για την τροποποίηση των ιδιοτήτων του υλικού), οι προσμίξεις επιτρέπουν στο SiC να ενεργεί σαν ημιαγωγός και βοηθούν τις ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος να εναλλάσσονται αποτελεσματικά μεταξύ αγώγιμων και μη αγώγιμων καταστάσεων προκειμένου να παράγουν ή να καταναλώνουν αποτελεσματικά ενέργεια.

Οι ημιαγωγοί SiC προσφέρουν σημαντικές βελτιώσεις σε σχέση με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου όσον αφορά τις απώλειες τάσης και ρεύματος, τη θερμική απόδοση και τη μείωση μεγέθους/βάρους σε σύγκριση με τους αντίστοιχους ημιαγωγούς πυριτίου. Ως εκ τούτου, το SiC είναι ιδανικό για χρήση σε αντιστροφείς και μετατροπείς DC/DC που βρίσκονται στα ηλεκτρικά οχήματα για τη διευκόλυνση της ταχείας φόρτισης DC, ενώ παράλληλα μειώνει το μέγεθος/βάρος μειώνοντας τα βασικά μεγέθη/βάρος των ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος. Μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και σε υψηλότερες θερμοκρασίες/συχνότητες από τους κανονικούς ημιαγωγούς!