Mikä on piikarbidi?

Piikarbidia käytetään elektronisissa laitteissa, jotka vahvistavat, kytkevät tai muuntavat signaaleja sähköpiirissä. Pienemmän jännitevastuksen ja lämpötilakestävyyden ansiosta nämä laitteet voivat toimia korkeammilla taajuuksilla pienemmillä tehohäviöillä.

SiC valmistetaan sähköuunissa Acheson-prosessia käyttäen ja kuumentamalla piihiekkaa, johon on sekoitettu hiiltä, joka on tyypillisesti peräisin petrolikokista, sähköuunissa. Lopputuotteena syntyy pieniä kiteisiä rakeet, joiden värisävyt ovat vihreitä tai mustia puhtausasteesta riippuen.

Ominaisuudet

Piikarbidi (sic) on kovalenttisesti sidottu vaaleanharmaa kiinteä materiaali, jolla on erittäin korkea sulamispiste ja vahva korroosionkestävyys, ja se kestää erinomaisesti lämpöshokkeja ja tärinää sekä on jäykkää, vahvaa ja tiheää. Sen kiderakenne koostuu tiiviisti pakatuista primaarisista koordinaatiotetraedereistä, jotka koostuvat neljästä piiatomista, jotka on yhdistetty neljällä hiiliatomilla, jotka on järjestetty kuusikulmaisesti kuusikulmaisiin yksiköihin valmistusprosessin helpottamiseksi; nämä primaariset koordinaatiotetraedrit tarjoavat mielenkiintoisia sähköisiä ominaisuuksia - esimerkiksi toimimalla eristeenä puhtaassa muodossa, kun taas muilla alkuaineilla seostettuna ne voivat osoittaa puolijohteisuutta tai johtavuutta, kun ne on seostettu muiden alkuaineiden kanssa.

Kovan, hiovan luonteensa ja kulumiskestävyytensä ansiosta piikarbidia on jo pitkään käytetty hioma-, hiekkapuhallus-, hoonaus- ja vesisuihkuleikkaussovelluksissa sekä metallurgiassa ja teräksen valmistussovelluksissa 1800-luvun lopulta lähtien. Lisäksi piikarbidilla on olennainen osa autojen keraamisten jarrulevyjen valmistuksessa, mikä vähentää kitkaa ja melupäästöjä.

Piikarbidipuolijohteilla on elektroniikkasovelluksissa merkittäviä etuja piipuolijohteisiin verrattuna, kuten 10 kertaa suurempi sähkökentän läpilyöntikestävyys, huomattavasti pienempi pinta-alaa kohden laskettu drift-kerrosresistanssi ja suurempi jännitteen sietokyky (600 V:sta tuhansiin V:iin). Piikarbidin ohuet kerrokset mahdollistavat myös laitteiden pienemmän koon ja suuremman tehotiheyden, mikä edistää sen käyttöönottoa sähköajoneuvojen tehonhallintajärjestelmissä, jotka tukevat akkujen pidempää ajomatkaa.

Sovellukset

Piikarbidilla on erinomaiset tribologiset ominaisuudet, korkea kestävyys ja korroosionkestävyys, ja se voi toimia korkeissa lämpötiloissa ilman hajoamista tai halkeilua. Piikarbidia käytetään osana volframikarbidityökaluja sekä hioma-aineena räjäytyssovelluksissa.

Piikarbidikiekot, joita käytetään yleisesti elektroniikkalaitteissa, vaativat vähemmän virtaa kuin piipohjaiset vastineensa toimiakseen tehokkaasti korkeammilla jännitteillä, lämpötiloilla, taajuuksilla ja lämmönjohtavuudella; lisäksi niillä on parempi lämmönjohtavuuden kestävyys ja lämpöshokkien sietokyky, mikä johtaa pienempiin passiivisiin komponentteihin, joiden paino ja kustannukset ovat pienemmät kuin piipohjaisissa ratkaisuissa. Schottky-diodit ja MOSFETit (sekä erillisissä että tehomoduulipakkauksissa) ovat suosittuja esimerkkejä tämän materiaalin käyttökohteista.

SiC on vaikuttava materiaali, mutta sen tuotanto vaatii monimutkaisen prosessin, johon kuuluu raaka-aineiden sekoittaminen, murskaaminen ja sintraaminen, ennen kuin se muutetaan tiiviiksi mustaksi tai harmaaksi jauheeksi, joka voidaan sitten leikata tai jauhaa eri kokoluokkiin eri käyttötarkoituksia varten.

Washington Mills tarjoaa CARBOREX(r)-piikarbidia erilaisina kemiantehoina ja kokoluokkina useille teollisuudenaloille, kuten hiomapuhallukseen, keramiikkaeristeisiin, metallurgisiin tulenkestäviin tulenkestäviin aineisiin, tulenkestäviin aineisiin Lankasahaukseen Kulutuskestävyyteen. Asiantuntijatiimimme on täällä näyttämässä sinulle kaikki sen ominaisuudet!

Valmistus

Piikarbidia valmistetaan sintraamalla hienoksi jauhettua raaka-aineseosta. Raaka-aineet voivat sisältää erilaisia elementtejä, kuten hiekkaa ja öljykoksia, tai jopa kahta tai useampaa erillistä materiaalia, jotka sekoitetaan erityisten suhteiden mukaisesti ennen kuin ne sijoitetaan valokaariuuniin ja kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin. Koksi- tai hiekkahiukkaset poltetaan pois, jolloin syntyy hiiltä, joka sitten sitoutuu piin kanssa muodostaen piikarbidiksi kutsuttua piikarbidia.

Raakapiikarbidi jalostetaan lajittelun, jauhatuksen ja kemiallisten käsittelyjen avulla, jotta saadaan valmiita rakeet ja jauheet, jotka soveltuvat eri käyttötarkoituksiin. Mustanharmaata piikarbidia, jota vain timantti ja kuutiollinen boorinitridi ovat kovempia, käytetään yleisesti luodinkestävissä liiveissä käytettävien keraamisien levyjen valmistukseen, jotka tarjoavat luotettavan ballistisen suojan ja ovat samalla huomattavasti kevyempiä kuin panssariteräs- tai alumiinioksidivaihtoehdot.

Puhdasta piikarbidia ei esiinny luonnossa, ja sitä on tuotettava keinotekoisesti synteettisin keinoin. Lely-menetelmässä kuumennetaan graniittista upokasta korkeissa lämpötiloissa, jolloin piikarbidijauhe sublimoituu kiteiksi, jotka sitten laskeutuvat grafiittisubstraateille matalammissa lämpötiloissa toisen sublimointiprosessin avulla. Kun kiteet ovat valmiita, ne voidaan sitten leikata haluttuun kokoon ja muotoon ennen kuin ne seostetaan epäpuhtauksilla, kuten boorilla, jotta SiC:n P-tyypin johtavuus saadaan aikaan.

Turvallisuus

Piikarbidin kestävyys korkeita lämpötiloja ja säteilyä vastaan tekee siitä ihanteellisen materiaalin elektroniikkaan avaruusaluksissa, jotka toimivat Venuksen polttavan 460 asteen lämpötilassa ja Jupiterin voimakkaassa ilmakehän paineessa. Säteilynkestävä piikarbidielektroniikka mahdollistaa pienempien avaruusalusten käytön, useampien tieteellisten instrumenttien sisällyttämisen kuhunkin tehtävään ja pidempikestoisten operaatioiden toteuttamisen, mikä pienentää kokoa ja painoa ja parantaa samalla tehtävien kestoa.

Jatkuvakuituiset, kuituvahvisteiset SiC-matriisikomposiitit (SiCf/SiC) ovat lupaavia materiaaleja tulevaisuuden fuusioreaktorien ensimmäisiin seinämiin ja peitteisiin, koska niillä on monia toivottavia ominaisuuksia, kuten mekaaninen suorituskyky korkeissa lämpötiloissa ja parempi vaurionsietokyky kuin monoliittisella SiC:llä [1,2], erinomainen lämmönjohtavuus ja vähäisempi aktivoituminen neutronien aiheuttamalle radioaktiivisuudelle [3-6].

Kuvasta 9a-c käy ilmi, että tässä esitettyjen rakenneanalyysitulosten mukaan sekä SS-310- että Zry-4-verhouksilla on samankaltaiset turvamarginaalit LBLOCA:n primääristen Tresca-jännitysjaksojen aikana; SiC:llä on kuitenkin suuremmat marginaalit, koska sen primääriset Tresca-jännitysarvot ja murtovetolujuusarvot ovat paremmat kuin niillä, jotka Zry-4:llä.

Kuva 11 havainnollistaa, että avaruudelliset itsesuojausvaikutukset vaihtelevat verhoustyypin mukaan, kuten kuvasta 11 käy ilmi. Kuten voidaan nähdä, kunkin mallin (SiC tai SS-310) osalta Pu-239:n kertyminen on erilaista LBLOCA-kokeissa, joissa käytettiin kummankin mallin polttoainepellettejä, mikä johtaa suurempaan Pu-239:n pitoisuuteen niiden verhousmallien läheisyydessä (SS-310-malli on todennäköisempi) MOL- ja EOL-jakson aikana kuin SiC-malli.