Szilícium-karbid

A szilíciumkarbid (SiC) egy kivételes anyag, amely kiemelkedő fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. Ellenáll a magas hőmérsékletnek, a korróziónak és a kopásnak, miközben alacsony hőtágulási sebességgel rendelkezik.

A moissanit a természetben ásványként nagyon korlátozott mennyiségben fordul elő, és azóta tömegesen gyártják Edward G. Acheson elektromos szakaszos kemencében, ami a mai napig tart.

Jellemzők

A szilíciumkarbid kivételes kémiai és mechanikai szilárdságot biztosít széles hőmérsékleti spektrumban, magas rugalmassági modulusával és alacsony hőtágulási együtthatójával ellenáll a korróziónak és a kopásnak. A szilíciumkarbid továbbá jó hőállóságot mutat, bár kevésbé, mint a szerkezeti kerámia cirkónium-dioxid.

A SiC általában elektromos szigetelő, azonban szennyeződések szabályozott hozzáadásával elektromosan vezetővé válhat. Alumíniummal, bórral vagy galliummal adalékolva P-típusú félvezető lesz, míg nitrogén- vagy foszforadalékolással N-típusú félvezető tulajdonságokat kap.

A tiszta ipari SiC színe a vas szennyeződések miatt barnás-fekete. Mivel többtípusú félvezető anyag, kristályszerkezete a szén- és szilíciumatomok tetraéderekbe rendeződését tekintve változik; ez lehetővé teszi, hogy állandó hőmérsékleten szigetelőként vagy vezetőként viselkedjen; továbbá vízben és alkoholban egyaránt oldhatatlan, de ellenáll a legtöbb szerves savnak, lúgnak és sónak.

Alkalmazások

A szilícium-karbid kerámiák számos területen alkalmazhatók: a csiszoló- és vágószerszámoktól kezdve a szerkezeti anyagokon (golyóálló mellények és kompozit páncélok), autóalkatrészeken, például féktárcsákon és villámhárítókon át a korrózióval és kopással szemben nagy ellenállású környezetekig, például petrolkémiai termelőüzemekben vagy füstgáz-kéntelenítő rendszerekben.

A SiC tápegységek kihasználják a széles sávszélességű félvezető tulajdonságait, hogy magasabb feszültségen vezessenek, így kisebb energiaveszteséggel és rövidebb átalakítási idővel rendelkező, kompaktabb energiaátalakító rendszereket tesznek lehetővé. Továbbá a SiC-eszközök felülmúlták a szilíciumból készült társaikat a kapcsolási áram és a hőmérséklet teljesítménye tekintetében, ami jelentős hatékonyságnövekedést eredményezett a végtermékek esetében.

A szilícium-karbid (SiC) a fizikai és elektronikus tulajdonságok egyedülálló kombinációjának köszönhetően gyorsan forradalmasítja a teljesítményelektronikát. A SiC-ből készült MOSFET-ek és Schottky-diódák széles körben alkalmazott teljesítmény-félvezető technológiák, és kulcsfontosságú alkatrészek az elektromos járművek vontatási invertereiben és fedélzeti töltőiben, valamint a töltőállomásokon található DC/DC átalakítókban - ez az elektromos járművek akkumulátorainak nagyobb hatótávolságát és az ipari alkalmazások nagyobb hatékonyságát eredményezi.

Gyártás

A szilíciumkarbidból számos különböző felhasználásra alkalmas anyagot lehet előállítani. A gépészmérnökök szilárdsága, keménysége, korrózió- és kopásállósága miatt fejlett kerámiaként, a villamosmérnökök pedig rendkívüli elektromos tulajdonságait félvezetőként használják. A szilíciumkarbid továbbá szerves részét képezi az olyan kompozit páncéloknak, mint a Chobham páncél vagy a golyóálló mellényekben található kerámialemezek.

Edward Goodrich Acheson 1891-ben szintetizálta először mesterségesen a SiC-et, miközben szintetikus gyémántokat próbált előállítani. Miközben kemény, kék-fekete kristályokat hozott létre, amelyeket karborundumnak nevezett el, mivel tévesen korundszerű vegyületnek diagnosztizálták, az ő módszere azóta a mai SiC-gyártás nagy részének alapjává vált.

Az Acheson-kemencében előállított kristályok tisztasága a grafitellenállás hőforrásától való távolságuk függvényében változik; a hozzá legközelebbi kristályok általában világosak, míg a távolabbiak a vezetőképességet csökkentő nitrogén vagy alumínium adalékolással sötétebbé válnak. A kereskedelmi forgalomban módosított Lely-eljárással vagy fizikai gőztranszporttal előállított nagyméretű egykristályok.

Biztonság

A szilíciumkarbid por irritáló kellemetlenséget okozhat, amely hozzájárulhat a nem progresszív tüdőfibrózis kialakulásához, és irritálhatja az orrot és a szemet. A hosszan tartó expozíció akár pneumoconiosishoz is vezethet - egy krónikus tüdőbetegséghez, amelynek tünetei közé tartoznak a mellkasi röntgenfelvételeken látható rendellenességek és a tüdőfunkció csökkenése; emellett növeli a tuberkulózis kockázatát.

Kiváló keménységének és merevségének köszönhetően a szénszálas páncélzat ballisztikai védelmet nyújt a hagyományos acél megoldásoknál jóval kisebb terméktömeg mellett.

A nukleáris alkalmazásokban a SiC burkolatot kiemelkedő besugárzási teljesítménye miatt használják, amely meghaladja a Zry-4-et az elsődleges Tresca-feszültségi szinteknél és azon túl, még mindig elfogadható leállási tartalék fenntartása mellett. Továbbá alacsonyabb neutronelnyelési keresztmetszettel büszkélkedhet; mind az SS-310, mind a FeCrAl burkolatok BOL-nál a SiC-nél minimálisan negatívabb MTC-értékeket mutatnak; ez azonban 5 s LBLOCA után jelentősen csökken a termékeny neutronok Doppler-szélesedése miatt.