Silicio karbido savybės ir pritaikymas

Silicio karbidas yra viena iš kiečiausių ir stipriausių medžiagų Žemėje, pasižyminti tvirtumu, šiluminiu laidumu ir atsparumu rūgštims - šios savybės leidžia jį naudoti įvairiose pramonės šakose.

SiC yra natūralus mineralas, žinomas kaip moisanitas, tačiau nuo 1893 m. jis masiškai gaminamas miltelių ir kristalų pavidalu, kad būtų naudojamas kaip abrazyvas ir kitiems pramoniniams bei puslaidininkiniams substratams.

Charakteristikos

Silicio karbidas pasižymi unikaliomis savybėmis, dėl kurių jis yra viena naudingiausių pramoninių medžiagų. Iš pažangių keraminių medžiagų jis yra kietas ir lengvas; be to, pasižymi puikiu šilumos laidumu ir mažu šiluminiu plėtimusi; be to, lengvai susidoroja su erozija ir dilimu - dėl šių savybių jis tinka naudoti malūnų įdėklų sistemose, ciklonų komponentuose, purkštuvuose ir ekstruderiuose.

Grynas silicio karbidas yra elektros izoliatorius. Tačiau pridėjus kontroliuojamų priemaišų, silicio karbidą galima priversti elgtis kaip puslaidininkinį prietaisą - aliuminis, boras ir galis gali sukurti P tipo prietaisus, o azotas ir fosforas - N tipo prietaisus.

SiC tranzistoriai pasižymi didesne pramušimo įtampa ir mažesne įjungimo varža, palyginti su silicio tranzistoriais, todėl galima naudoti didesnius perjungimo dažnius ir mažesnes galios elektronikos sistemas. Elektromobilių įkrovimo inverteriuose SiC gali būti naudojamas siekiant sumažinti jų galios valdymo sistemų dydį ir svorį bei padidinti važiavimo nuotolį.

Savybės

Silicio karbidas, dažniau vadinamas SiC, yra itin kietas, sintetiniu būdu pagamintas kristalinis junginys, sudarytas iš silicio ir anglies, chemiškai inertiškas ir atsparus korozijai (nors jautrus druskos, sieros ar kitų rūgščių poveikiui).

Silicio karbidas pasižymi daugeliu naudingų savybių, dėl kurių jis yra vertinga medžiaga, įskaitant didelį stiprumą ir standumą, mažą šiluminį plėtimąsi, atsparumą oksidacijai ir dilimui, taip pat atsparumą elastingumui net aukštoje temperatūroje. Dėl šio keramikos ir puslaidininkių savybių derinio jis yra puikus medžiagos pasirinkimas struktūrinei keramikai ir abrazyvinėms medžiagoms gaminti.

Grynas SiC yra bespalvis kristalas. Tačiau, pridėjus skirtingą kiekį priemaišų, jo elektrines savybes galima pakeisti į puslaidininkio savybes. Sluoksninės struktūros kristaluose sukuria skirtingus silicio karbido potipius su unikaliomis kristalinėmis struktūromis; dažniausiai aptinkama 6H-SiC šešiakampė kristalinė struktūra, tinkanti galios elektronikai dėl plataus 1,12eV juostos tarpo, kaip teigia "Wolfspeed".

Paraiškos

Silicio karbido unikalios fizinės ir elektroninės savybės iš esmės keičia galios elektroniką. Nauji prietaisai, sukurti naudojant SiC, pasižymi didesniu patikimumu, mažesniais galios nuostoliais, greitesniu perjungimo laiku ir didesniu energijos vartojimo efektyvumu, palyginti su jų pirmtakais.

Grynas silicio karbidas yra elektrinis izoliatorius, tačiau tam tikromis aplinkybėmis jį papildžius kontroliuojamomis priemaišomis (vadinamaisiais dopantais), jis gali praleisti elektros srovę. Aliuminio, boro ir galio dopingas sukuria P tipo puslaidininkius; fosforo ir azoto dopingas sukuria N tipo puslaidininkius.

Silicio karbido atominė struktūra panaši į anglies ir silicio atomų, kovalentiškai susijungusių į du pirminius koordinacinius tetraedrus: keturi anglies ir keturi silicio atomai kovalentiškai susijungę tarpusavyje sudaro du pirminius koordinacinius tetraedrus, kurių kiekvieną sudaro keturi anglies ir keturi silicio atomai, kovalentiškai susijungę tarpusavyje. Jis gali būti auginamas įvairiomis formomis; paprastai sumalamas į smulkius miltelius, tada sumaišomas su neoksidinėmis sukepinimo pagalbinėmis medžiagomis, tokiomis kaip silicio organinės rišamosios medžiagos, kad susidarytų pastos pavidalo mišinys, kurį galima formuoti naudojant šaltą izostatinį presavimą arba ekstruzijos procesus - plačiai naudojamas pjovimo įrankiams, konstrukcinėms medžiagoms (neperšaunamoms liemenėms ir (arba) kompozitiniams šarvams), automobilių dalims gaminti, veidrodžių medžiagoms gaminti, taip pat astronominių teleskopų veidrodžių medžiagoms gaminti.

Gamyba

Silicio karbidas yra viena kiečiausių ir stipriausių pažangiųjų keraminių medžiagų, pasižyminti mažu šiluminiu plėtimusi, atsparumu rūgštims, erozijai ir puikiu atsparumu dilimui.

Silicio karbidui gaminti naudojamos įvairios cheminės reakcijos, tačiau dažniausiai naudojamas Achesono procesas. Jis apima silicio dioksido ir kokso mišinio kaitinimą aukštoje temperatūroje, kol cheminės medžiagos chemiškai reaguoja ir susidaro kristalai.

Tada šie kristalai sumalami į smulkius miltelius ir kartu su neoksidinėmis sukepinimo medžiagomis, tokiomis kaip silicio organinės rišamosios medžiagos, sudaro pastą, kuri sutankinama ir formuojama ekstruzijos arba šaltojo izostatinio presavimo būdu.

Silicio karbidas dėl savo kietumo ir patvarumo yra nepakeičiama medžiaga šiuolaikinėje lapidarystėje. Dėl savo universalumo jis naudojamas įvairioms reikmėms: krosnių įdėklams, pjovimo įrankiams ir šlifavimo diskams, siurblių ir raketų variklių dilimui atsparioms dalims, mažos varžos galios elektronikos komponentams, taip pat plonesnėms plokštelėms dėl mažesnės pramušimo įtampos gaminti.