Kas yra silicio karbidas?

Silicio karbidas (SiC) yra itin kieta ir atspari dilimui keraminė medžiaga, naudojama automobilių stabdžiuose ir sankabose, kad dalys būtų ilgaamžės.

Mechaninės savybės - mažas šiluminis plėtimasis ir didelis kietumas.

Dėl šių savybių ši medžiaga puikiai tinka galios elektronikai, kurioje dėl platesnio juostos tarpo galima naudoti didesnes darbines įtampas nei tradiciniuose silicio inverteriuose.

Kietumas

Silicio karbidas (SiC) yra viena kiečiausių sintetinių medžiagų, nusileidžianti tik boro karbidui ir deimantui. Dėl išskirtinio atsparumo dilimui rodiklio ir termiškai stabilių savybių SiC yra idealus medžiagos pasirinkimas, kai reikia didelės ištvermės ar atsparumo temperatūrai.

SiC milteliai sudaro kristalines struktūras, kurių spalva, priklausomai nuo grynumo, yra nuo geltonai žalios iki melsvai juodos. SiC netirpsta vandenyje, bet šiek tiek sunkiau tirpsta šarmuose arba geležyje.

SiC keramiką galima gerokai padidinti pridedant minkštųjų fazių, pavyzdžiui, GNP ir Ti, arba sukepinant su tokiomis medžiagomis, kaip niobio karbidas, siekiant padidinti tankį [17], todėl padidėja galutinio gaminio šiluminis laidumas ir kietumas (didėjant temperatūrai didėja grūdelių dydis ir reakcinis sukibimas). Tačiau niekada negalima viršyti maksimalios temperatūros, nes priešingu atveju SiC dalelės gali prarasti savo kristalinę struktūrą ir ilgainiui tapti trapios.

Šilumos laidumas

Silicio karbido išskirtinis šiluminis laidumas leidžia jį naudoti kaip medžiagą, kai reikia greito ir patikimo veikimo esant itin aukštai temperatūrai ir įtampai. Jo atsparumas įtampai yra dešimt kartų didesnis nei silicio, todėl jis lenkia galio nitridą sistemose, veikiančiose esant aukštesnei nei 1000 V įtampai.

Silicio karbido plataus pralaidumo juostos sandūros savybė leidžia jam gerai veikti prietaisuose, kurie yra jautrūs temperatūros ir įtampos pokyčiams, pavyzdžiui, naudojamuose elektra varomoms transporto priemonėms. Be to, silicio karbido plati juostinė sandūra taip pat apsaugo jį nuo korozijos ir oksidacijos.

Silicio karbidas gali būti gaminamas įvairių formų ir dydžių, priklausomai nuo jo paskirties. Dažniausiai jis gaminamas kaip smulkūs milteliai, kurie sumaišomi su neoksidinėmis sukepinimo pagalbinėmis medžiagomis, kad susidarytų pasta, kurią vėliau galima sutankinti ekstruzijos, įpurškimo arba išspaudimo būdu, siekiant sutankinti arba suformuoti. Kitais metodais gali būti taikomas cheminis nusodinimas iš garų arba anglies sintezės procesai, kurių metu gaunamas kubinis SiC, naudojamas kaip abrazyvinė medžiaga šlifavimo, honingavimo ir pjovimo vandens srove procesuose.

Šiluminis plėtimasis

Silicio karbidas yra tvirta medžiaga, pasižyminti puikiu atsparumu terminiams smūgiams, todėl tinka įvairiems abrazyviniams apdirbimo procesams, pavyzdžiui, šlifavimui, honingui ir pjovimui vandens srove. Be to, dėl palyginti mažo šiluminio plėtimosi koeficiento laikui bėgant išlieka stabilūs matmenys, todėl silicio karbidas yra nepakeičiama abrazyvinė medžiaga šiuolaikinėje lapidarystėje.

Silicio karbidas turi glaudžią struktūrą, sudarytą iš dviejų pirminių koordinacinių tetraedrų, sudarytų iš keturių silicio ir keturių anglies atomų, kurie yra kovalentiškai sujungti tarpusavyje ir sudaro glaudžią daugiasluoksnę struktūrą.

Silicio karbido kristalinę struktūrą galima keisti, kad pasikeistų jo elastinės savybės, ir taip kontroliuoti jo elastines savybes. Atlikti pirmųjų principų skaičiavimai naudojant tankio funkcinę teoriją, siekiant ištirti, kaip įvairūs defektai, pavyzdžiui, vakansijos, intersticiniai ir antisitiniai defektai, veikia SiC ir ZrC tamprumo konstantas; pavyzdžiui, dominuojantis VC defektas smarkiai sumažina C44, o kiti defektai, pavyzdžiui, VSi ir Sit, turėjo minimalią įtaką.

Elektrinis laidumas

Silicio karbidą sudaro stipriais kovalentiniais ryšiais sujungti šešiakampiai kristalai, todėl nuo pat XIX a. pabaigos, kai buvo atrastas silicio karbidas, jis tapo patvaria medžiaga, naudojama tokiose srityse kaip švitrinis popierius, šlifavimo diskai ir pjovimo įrankiai. Pastaruoju metu jis taip pat naudojamas pramoninių krosnių ugniai atspariose išklotinėse, dilimui atspariose siurblių ir raketų variklių dalyse ir kaip puslaidininkinis šviesos diodų (LED) substratas.

Grynas silicio karbidas yra elektrinis izoliatorius, tačiau, kontroliuojamai pridėjus priemaišų, vadinamų legiruojančiomis medžiagomis, jis gali virsti elektriniu puslaidininkiu. Azoto ir fosforo priemaišos sukuria N tipo puslaidininkio savybes; aliuminio, boro arba galio priemaišos jį paverčia P tipo puslaidininkiu.

Dėl plataus silicio karbido pralaidumo juostos tarpo jis gali efektyviau praleisti elektros srovę nei tradiciniai puslaidininkiai, todėl prietaisai yra mažesni, greičiau veikia, yra atsparesni aukštesnėms temperatūroms ir įtampoms, turi didesnę galią, o tai lemia mažesnes sąnaudas įvairiose srityse.