Silīcija karbīda jaunumi

Silīcija karbīds ir viena no cietākajām zināmajām vielām, ko izmanto kā sintētisku abrazīvu un kas dabā sastopama kā moisanīts meteorītos; to var arī iegūt.

SiC platās joslas spraugas īpašības ļauj samazināt komutācijas zudumus, vienlaikus atbalstot augstākas frekvences, tāpēc tas ir ideāli piemērots izmantošanai augstsprieguma jaudas pusvadītāju ierīcēs, piemēram, elektromobiļu (EV) inverteros.

Kas ir silīcija karbīds?

Silīcija karbīds jeb SiC ir ārkārtīgi ciets ķīmisks savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa un dabā sastopams kā retais dārgakmens moizanīts; tomēr jau vairāk nekā 100 gadus silīcija karbīda pulveri un kristālus masveidā ražo, lai tos izmantotu kā abrazīvu un radītu keramikas komponentus, ko izmanto automašīnu bremzēs un sajūgos vai pat bruņuvestēs. Silīcija karbīda blīvā kristāliskā struktūra, ko veido nanokristāli, ir ārkārtīgi cieta, ļoti izturīga un karstumizturīga.

Mūsdienu silīcija karbīda ražotāji, ko izmanto abrazīvos un metalurģijas rūpniecībā, izmanto Achesona procesu, kurā tīras silīcija smiltis, sajauktas ar smalki samaltu koksu, ievieto ķieģeļu elektriskās pretestības tipa krāsnī un elektrificē; caur šo pretestības krāsni plūst elektrība. Koksa ogleklis un smilšu silīcijs ķīmiski reaģē, veidojot SiC serdē un oglekļa monoksīda gāzi tās virspusē. Šis process parasti notiek ļoti augstā temperatūrā, kas svārstās no 1700 līdz 2500 grādiem pēc Celsija. Šajā procesā iegūst cietu cilindrisku lietņu ar dažādiem slāņiem, sākot no grafīta iekšpusē, ar grafēnu bagāta augstas kvalitātes SiC un rupjas kristāliskās struktūras līdz zemākas kvalitātes materiāliem, piemēram, b-SiC, ko izmanto metālapstrādes procesos, kā arī nereaģējušu materiālu tā ārpusē, ko vajadzības gadījumā var pārkausēt. SiC var būt melns vai zaļš atkarībā no tā, kādas izejvielas tika izmantotas apstrādes laikā.

IPS Ceramics piedāvā visus galvenos silīcija karbīda veidus, kā arī plašu krāšņu mēbeļu izstrādājumu klāstu darbam ar šo ievērojamo materiālu. Mūsu keramikas speciālistu komanda var palīdzēt izvēlēties, kurš SiC veids vislabāk atbilst jūsu pielietojumam, vienlaikus nodrošinot instrumentus un iekārtas, kas nepieciešamas pareizai slīpēšanas materiāla izmantošanai, lai ražotu vēlamos gala produktus.

SiC parasti tiek uzskatīts par inertu, bez toksikoloģiskām īpašībām un ar zemu akūtu toksicitāti, ja ar to rīkojas un to sagatavo saskaņā ar standarta praksi, lai gan ilgstoša iedarbība var izraisīt vieglu ādas kairinājumu, kā arī izmainīt inhalācijas tuberkulozi eksperimentāliem dzīvniekiem, kas var izraisīt plašu fibrozi un slimības progresēšanu. Sīkāku informāciju skatīt šī savienojuma toksicitātes datu lapā cilvēkam.

Kā tiek ražots silīcija karbīds?

Silīcija karbīds, ko biežāk dēvē ar ķīmisko simbolu SiC, tiek izmantots kā abrazīvs, keramikas un pusvadītāju materiāls. Tā kā silīcija karbīds ir viens no cietākajiem pieejamajiem materiāliem un ir spēcīgs un izturīgs - pēc stiepes izturības tas ir otrs pēc dimanta -, tas var lepoties ar izcilu karstuma un ķīmisko inertumu pat paaugstinātā temperatūrā, padarot to par neaizstājamu materiālu rūpnieciskajos ugunsizturīgajos materiālos.

Edvards Ačons pirmo reizi mākslīgi sintezēja silīcija karbīdu 1891. gadā, kad elektriski karsētā oglekļa un alumīnija oksīda kausējumā atklāja sīkus melnus kristālus un nosauca šo procesu savā vārdā; mūsdienās tā joprojām ir galvenā metode silīcija karbīda ražošanai, ko izmanto abrazīvos, metalurģijā, ugunsizturīgajos materiālos, kā arī dabisko moisanīta minerālu ražošanā.

Mūsdienās silīcija karbīdu ražo, izmantojot inovatīvus procesus, lai to izmantotu dažādos speciālos lietojumos. Reaģējot saistītais SiC (CB) tiek ražots, sajaucot pulverveida silīciju un oglekli ar plastifikatoru un veidojot no tā priekšmetu, pēc tam sadedzinot lieko plastifikatoru, un visbeidzot reaģējot tālāk ar gāzveida vai šķidro silīciju, lai veidotu papildu SiC daļiņas. Reaģējot saistītais SiC nodrošina rentablus nodilumizturīgus pārklājumus, kā arī augstas kvalitātes tīģeļus, ko izmanto metālu kausēšanai un turēšanai.

Ar ķīmiskās tvaiku kondensācijas un monokristālu augšanas metodēm silīcija karbīda ražošanā iegūst citus variantus. Tas ietver silīcija un oglekļa audzēšanu vakuumā vai augstā temperatūrā, veidojot kristālus, līdzīgi kā tiek ražotas cietvielu elektronisko ierīču plāksnes. Pēc tam, kad tas ir pabeigts, to var leģēt ar slāpekli vai fosforu, lai iegūtu n tipa pusvadītāju, vai beriliju, boru vai alumīniju, lai iegūtu p tipa pusvadītājus.

Silīcija karbīdu var iedalīt vairākās kategorijās atkarībā no tā graudu lieluma, saistvielas sastāva, tīrības pakāpes un blīvuma, daļiņu formas vai saķepināšanas veida. Abrazīvās silīcija karbīda šķiras var sajaukt ar citiem savienojumiem un samalt granulās rūpniecisko ugunsizturīgo materiālu ražošanai; šādas granulas pēc tam izmanto cementos, ķieģeļos un tīģeļos kā cementa aizstājēju. Ugunsizturīgie materiāli atšķiras atkarībā no tā, cik precīzi to sastāvs ir sajaukts, kā arī atkarībā no to spējas izturēt augstu temperatūru un ķīmiskās spriedzes izturību - katram pielietojumam ir nepieciešams savs kvalitātes novērtējums!

Kādi ir galvenie silīcija karbīda lietojumi?

Silīcija karbīdam ir daudz pielietojumu; tas ir inerts materiāls ar lielisku siltumvadītspēju, elektriskais izolators un varavīksnes spīdumu, jo uz tā virsmas veidojas silīcija dioksīda pasivācijas slānis. Turklāt tam ir lieliska izturība pret daudzām organiskajām un neorganiskajām skābēm, sārmiem un sāļiem, izņemot fluorūdeņražskābi, kas varētu izraisīt koroziju.

SiC ir pievilcīgs pusvadītāju materiāls izmantošanai energoelektronikā, jo tam ir plaša joslas sprauga un priekšrocības salīdzinājumā ar silīcija pusvadītājiem, piemēram, lielāka sprieguma tolerance, lielāks darbības ātrums un mazāki savienojuma zudumi. SiC monokristālu var nogulsnēt kā tetraedru veidojumu ar primāro koordinācijas tetraedru, kas sastāv no četriem oglekļa un četriem silīcija atomiem, kas savienoti to stūros un sakārtoti polārajās struktūrās; pēc tam var pievienot leģējošās vielas, lai iegūtu n vai p tipa pusvadītāju (Mantooth Zetterling Rusu).

Tīru silīcija karbīdu var izveidot Lely procesā, kurā pulverveida SiC tiek sublimēts augstas temperatūras formās, piemēram, silīcijā, oglī, silīcija dikarbīdā un disilikona karbīdā 2500 grādu temperatūrā argona gāzes atmosfērā. Pēc tam kubveida silīcija karbīda kristālus var izaudzēt, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu ar silānu, ūdeņradi un slāpekli kā prekursoriem, lai iegūtu monokristālus, kuru izmērs nepārsniedz 2 cm, izmantojot CVD augšanas procesus, piemēram, ķīmisko tvaiku uzklāšanu.

Silīcija karbīda izturība pret nodilumu ir vēl viena būtiska īpašība. Pateicoties šai īpašībai, to plaši izmanto kā abrazīvu materiālu mehāniskās apstrādes un slīpēšanas procesos, kā arī lapidāros, kas saistīti ar optisko šķiedru pavedienu pulēšanu pirms savienošanas. Turklāt to bieži izmanto silīcija karbīda juvelierizstrādājumos.

Tā kā silīcija karbīds ir viens no diviem cietākajiem materiāliem uz Zemes, silīcija karbīda detaļas var būt ārkārtīgi sarežģīti apstrādāt ar precīziem izmēriem, kas nepieciešami saķepinātiem silīcija karbīda izstrādājumiem. Sinterētajam silīcija karbīdam jāiztur virkne stingru testu un pārbaužu, lai tas atbilstu noteiktām mehānisko īpašību prasībām; inhalācijas iedarbība var pat izraisīt plaušu bojājumus cilvēkiem, tostarp fibrozi.

Kāda ir silīcija karbīda nākotne?

Silīcija karbīds ir viena no cietākajām vielām pasaulē, un, lai to varētu griezt, tam ir jābūt grieztam ar asmeņiem ar dimanta galiem. Tomēr, neraugoties uz šīm grūtībām, silīcija karbīds var izjaukt daudzu miljardu dolāru vērtas rūpniecības nozares; piemēram, elektrisko transportlīdzekļu invertori un lādētāji, kuros izmantots silīcija karbīds, darbojas augstākā temperatūrā nekā to silīcija analogi, bet to slēdži var būt uz pusi mazāki, tādējādi samazinot svaru, izmaksas, sarežģītību un akumulatoru darbības ilgumu, salīdzinot ar standarta silīcija ierīcēm.

Tā kā arvien vairāk cilvēku pāriet uz elektriskajiem transportlīdzekļiem (EV), pieprasījums pēc silīcija karbīda energoelektronikas pieaugs eksponenciāli. Šo straujo izaugsmi veicina lielas platības un lētas plātnes, ko ražo specializētās iekārtās, izmantojot sarežģītas iekārtas, kas ļauj audzēt kristālus vakuuma vidē; pēc tam šīs plātnes var izmantot jaudas pusvadītāju un citu ierīču ražošanā.

Enerģijas pusvadītāji veido lielāko daļu no pasaules silīcija karbīda tirgus un tiek izmantoti dažādos lietojumos, sākot no elektriskajiem transportlīdzekļiem un vēja turbīnām līdz viedtālruņiem un datoriem. Turklāt pēdējā laikā šī tehnoloģija ir plaši izplatīta naftas un gāzes rūpniecībā, lai uzlabotu drošību un efektivitāti.

Ražotāji iegulda līdzekļus ražošanas jaudās, lai apmierinātu augošo pieprasījumu pēc silīcija karbīda ierīcēm, piemēram, tādām, ko piedāvā SK Siltron no Bay City, Mičiganā, lai apmierinātu šo vajadzību pēc kvalitatīvām SiC plāksnēm, ko finansē ar Enerģētikas departamenta (DOE) aizdevumu.

Citi ražotāji reaģē uz augošo pieprasījumu, ienākot jaunajos tirgos. Ķīnas silīcija karbīda un gallija nitrīda pusvadītāju rūpniecība strauji attīstās, pateicoties pieaugošajam pieprasījumam pēc enerģijas pusvadītājiem, ko rada elektriskie transportlīdzekļi (EV) un rūpnieciskie lietojumi.

Silīcija karbīds jau sen ir atzīts ar savām ugunsizturīgajām un abrazīvajām īpašībām, kā arī spēju darboties skarbos apstākļos, tāpēc tas ir ideāli piemērots robotikā, ražošanas iekārtās, motoru piedziņās un griezējinstrumentos un slīpripas, kam nepieciešama izturība un nodilumizturība. Rūpnieciskie lietojumi šobrīd ir viens no lielākajiem silīcija karbīda tirgiem.