Szilícium-karbid szerkezet és alkalmazások

A szilícium-karbid kivételes hőmérséklet-stabilitása, tartóssága, szilárdsága, korrózióállósága és félvezető tulajdonságai ideális anyaggá teszik a teljesítményelektronika számára. Továbbá a foszforral vagy galliummal történő adalékolás lehetővé teheti egy n-típusú szilíciumkarbid félvezető alap félvezető eszköz adalékolását.

A SiC különböző polytípusokban kapható, amelyek a szilícium- és szénatomok rácsszerkezetükben való elrendeződése alapján különböznek egymástól. Mindegyik más-más fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik.

Kémiai összetétel

A szilíciumkarbid (SiC) szilíciumból és szénből álló szervetlen kémiai vegyület. A szilíciumkarbid az ember által ismert egyik legkeményebb anyagként a gyémánttal és a borkarbiddal versenyez, mint az egyik legkeményebb ismert anyag. A szilíciumkarbidot számos ipari alkalmazásban használják, többek között csiszolóanyagként és szerkezeti kerámiaként; emellett tűzálló bélések, magas hőmérsékletű téglák, fűtőelemek, valamint szivattyúk és rakétahajtóművek kopásálló alkatrészei is készülnek belőle.

A SiC rendkívül sűrű atomszerkezettel rendelkezik, ami erős kovalens kötéseket eredményez a szilícium- és a szénatomok között, így erős kovalens kötések jönnek létre az egyes atomok között. Az atomok két elsődleges koordinációs tetraéderbe szerveződnek, amelyekben négy szilícium- és négy szénatom erős kovalens kötésekkel kapcsolódik egymáshoz.

A szilíciumkarbid tiszta állapotban elektromos szigetelőként viselkedik; azonban adalékanyagok, például bór és alumínium hozzáadásával félvezetővé válik.

A szilíciumkarbidot különböző nyersanyagok magas hőmérsékleten, kemencében történő reakciójával lehet előállítani. Az így előállított anyagot a tervezett felhasználásnak megfelelően kell feldolgozni - például zúzásra, őrlésre vagy kémiai kezelésre lehet szükség, mielőtt az a tervezett felhasználásra alkalmas lesz.

A szilíciumkarbid csiszolóanyag hosszú élettartama és gazdaságos ára miatt az egyik leggyakrabban használt anyag a lapidáriumban. Ezenkívül a szilíciumkarbidot már régóta használják ipari megmunkálási eljárásokban, például csiszolásban, élezésben és vízsugaras vágásban ipari csiszolóanyagként. Továbbá a szilíciumkarbid nagy szilárdsága és kopásállósága miatt számos bányászati és gyártási környezetben hasznos, míg golyóálló tulajdonságai miatt a golyóálló páncél megoldások népszerű összetevője.

Fizikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid (SiC) egy rendkívül kemény, szintetikusan előállított szilícium és szén vegyület, amelyet először a 19. század végén állítottak elő tömegesen, és azóta gyorsan terjedt el ipari alkalmazása. Az először csiszolóanyagként használt SiC hamarosan ipari kemencék tűzálló béléseinek, valamint szivattyúk és rakétahajtóművek kopásálló alkatrészeinek szolgálatába állt; továbbá kiváló hővezető képessége és alacsony hőtágulási jellemzői miatt felbecsülhetetlen értékű anyagválasztás az elektronikus alkatrészek, például a félvezetők és a fénykibocsátó diódák számára, sok más alkalmazás mellett, mint valaha!

A szilíciumkarbid széles sávszélessége lehetővé teszi, hogy az elektronok gyorsabban haladjanak az anyagban, mint a szilíciumban, így ideális a gyorsabb elektronmozgékonyság, a korrózióállóság, a kopásállóság, a magas olvadáspont és a magas hőmérsékleten való szilárdság szempontjából - ezek a tulajdonságok teszik ezt az anyagot kívánatossá számos igényes alkalmazásban.

Az alumínium kémiai inercessége, magas olvadáspontja, magas hőmérséklettel szembeni ellenállása és alacsony tágulási együtthatója miatt kiválóan alkalmas a szerszám- és gépgyártásra. Az alumínium számos csiszolóanyag fő alkotóeleme, valamint számos tűzálló anyagban is nélkülözhetetlen.

A szilícium-karbid szilárdság, hővezető képesség és merevség kombinációja miatt kiváló anyagválasztás nagy optikai teleszkópok, például a Herschel Űrtávcső tükrei számára. Továbbá merevsége és hővezető képessége alkalmassá teszi az űreszközök olyan alrendszereihez is, amelyeknek magas hőmérsékletet vagy sugárzási szintet kell elviselniük.

Kémiai reakciók

A szilíciumkarbid egy kemény anyag, amely figyelemre méltó fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik. Rendezett rácsszerkezetben elhelyezkedő szilícium- és szénatomokból áll, rendkívüli szilárdsága és hőstabilitása hozzájárul ahhoz, hogy ipari előállításához a szilícium-dioxidot magas hőmérsékleten, elektromos kemencében szénnel redukálják. A tiszta szilíciumkarbid jellemzően színtelennek tűnik; a szennyezett változatok azonban gyakran kékesfekete vagy barnás színű porként jelennek meg a vasszennyeződések vagy más szennyeződések miatt.

Az alumínium rendkívül erős és rugalmas anyag, amelyet csiszolóanyagok, csiszolókorongok, vágószerszámok, autóalkatrészek, tűzálló téglák, fűtőelemek és magas hőmérsékletű kerámiák gyártásához használnak. A kémiai reakciókkal szembeni ellenállása, alacsony hőtágulási sebessége és félvezető elemként való képessége miatt kiváló anyagválasztás a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz.

A szilíciumkarbid a víznek való hosszabb ideig tartó expozíciót is kibírja anélkül, hogy lebomlana, így kiváló anyagválasztás olyan alkatrészekhez, amelyeknek folyadékokba, például hűtőfolyadékokba vagy levegőbe kell merülniük. Meg kell azonban jegyezni, hogy a szilíciumkarbid magasabb hőmérsékleten hidrogéngázzal reagál, és szilícium-dioxidot és metánt hoz létre; ez azért következik be, mert tetraéderes szerkezete magasabb hőmérsékleten hidrogénmolekuláknak teszi ki az atomokat, amelyek a légkörben jelen lévő oxigénmolekulákkal egyesülve a felületén látható vízgőzt alkotnak.

Gyártás

A szilíciumkarbid abban különbözik sok más, általánosan használt anyagtól, hogy azt elő kell állítani. A szilíciumkarbid vágásához az ember által ismert egyik legkeményebb anyagként gyémánthegyű pengékre van szükség. Sajnos azonban a szilíciumkarbid gyártási folyamata bonyolult lehet, ezért a növekvő igényekkel való lépéstartás érdekében fejleszteni kell.

Az Acheson-eljárás az egyik leggyakrabban használt gyártási módszer, amely a szilícium-dioxid és a koksz keveréséből áll, majd magas hőmérsékletre hevítik őket, és kémiai reakcióba lépnek egymással, ami elég nagy méretű, élénkzöld kristályokat hoz létre ahhoz, hogy láthatóvá váljanak, majd lehűtik a keveréket, hogy megállítsák ezt a növekedést, és teljesen leállítsák a kristályok növekedését. Miután lehűlt, ez a porkeverék ezután nem oxidos szinterelési segédanyagokkal (kötőanyagokkal) kombinálható a hideg izosztatikus préseléssel vagy extrudálási módszerekkel történő tömörítéshez.

A szilícium-karbid más kerámiaanyagok közül a széles sávszélességével tűnik ki - amely azt az energiakülönbséget méri, amely ahhoz szükséges, hogy az elektronok az atom valenciasávjából a vezetési sávba ugorjanak -, ami lehetővé teszi, hogy sokkal nagyobb feszültséget és frekvenciát bírjon el, mint a konkurens anyagok.

A szilíciumkarbid ideális anyag a félvezető elektronikához, amely ellenállással történő fűtést igényel zord környezetben, beleértve a szivattyúk csapágyait, szivattyúcsapágyakat, homokfúvó injektorokat, szerszámokat és fűtőelemeket. Szilíciumkarbid szilárdsága, keménysége és tartóssága miatt kiváló anyagválasztás szivattyúcsapágyak, szivattyúcsapágyak, homokfúvó injektorok, szerszámok és fűtőelemek számára is - nem is beszélve az alumíniummal, bórral vagy galliummal történő adalékolásról, amellyel p-típusú félvezető szilíciumkarbidot lehet előállítani, ami csökkentheti az aktív hűtőrendszereket, amelyek az elektromos járművekbe beépítve súlyt és bonyolultságot növelnének - segítve a súlycsökkentést, miközben bonyolultságot növel!