Silīcija karbīds

Silīcija karbīds (SiC) ir izcils materiāls ar izcilām fizikālajām īpašībām. Tas ir izturīgs pret augstām temperatūrām, koroziju un nodilumu, vienlaikus tam piemīt zems termiskās izplešanās koeficients.

Dabā moizanīts kā minerāls sastopams ļoti ierobežotā daudzumā, un kopš tā laika to masveidā ražo, izmantojot Edvarda G. Ačsona (Edward G. Acheson) elektriskās sērijveida krāsns procesu, kas turpinās līdz pat šai dienai.

Raksturojums

Silīcija karbīds nodrošina izcilu ķīmisko un mehānisko izturību plašā temperatūru spektrā, ir izturīgs pret koroziju un nodilumu, jo tam ir augsts elastības modulis un zems termiskās izplešanās koeficients. Turklāt silīcija karbīdam piemīt laba izturība pret termisko triecienu, lai gan tā ir mazāka nekā strukturālajam keramiskajam cirkonijam.

SiC parasti ir elektriskais izolators, tomēr, kontrolēti pievienojot piemaisījumus, tas var kļūt elektrovadošs. Ar alumīnija, bora vai gallija piedevu tas kļūst par P tipa pusvadītāju, savukārt slāpekļa vai fosfora piedevas rada N tipa pusvadītāja īpašības.

Tīrs rūpnieciskais SiC ir brūnā līdz melnā krāsā dzelzs piemaisījumu dēļ. Tā kā SiC ir daudztipa pusvadītāju materiāls, tā kristāliskā struktūra atšķiras atkarībā no tā, kā oglekļa un silīcija atomi sakārtojas tetraedros; tas ļauj tam pastāvīgās temperatūrās uzvesties kā izolatoram vai vadītājam; turklāt tas nešķīst ūdenī un alkoholā, bet ir izturīgs pret lielāko daļu organisko skābju, sārmu un sāļu.

Pieteikumi

Silīcija karbīda keramika tiek izmantota daudzās jomās: sākot no abrazīviem un griezējinstrumentiem, strukturāliem materiāliem (bruņuvestes un kompozītmateriāli), automobiļu detaļām, piemēram, bremžu diskiem un zibens novadītājiem, līdz pat augstas izturības pret koroziju un nodilumu vidē, piemēram, naftas ķīmijas ražotnēs vai dūmgāzu desulfurizācijas sistēmās.

SiC barošanas ierīcēs tiek izmantotas tā plašās joslas spraugas pusvadītāju īpašības, lai tās varētu vadīt pie lielākiem spriegumiem, tādējādi nodrošinot kompaktākas enerģijas pārveides sistēmas ar mazākiem enerģijas zudumiem un īsāku pārveides laiku. Turklāt SiC ierīces pārspēj silīcija analogus, kad runa ir par komutācijas strāvas un temperatūras rādītājiem, salīdzinot ar silīcija analogiem, tādējādi ievērojami paaugstinot galaproduktu efektivitāti.

Silīcija karbīds (SiC) strauji maina energoelektroniku, pateicoties tā unikālajai fizikālo un elektronisko īpašību kombinācijai. No SiC izgatavotie MOSFET un Šotkija diodes ir plaši izmantotas jaudas pusvadītāju tehnoloģijas, un tās ir galvenie komponenti elektrotransportlīdzekļu vilces inverteros un borta lādētājos, kā arī uzlādes stacijās esošajos DC/DC pārveidotājos - tas nozīmē uzlabotu akumulatoru darbības rādiusu elektrotransportlīdzekļos un palielinātu efektivitāti rūpnieciskos lietojumos.

Ražošana

No silīcija karbīda var izgatavot dažādus materiālus dažādiem lietojumiem. Mašīnbūves inženieri to izmanto kā modernu keramiku, pateicoties tā izturībai, cietībai, izturībai pret koroziju un nodilumu, kā arī elektrotehnikas inženieri, kuri izmanto tā izcilas elektriskās īpašības kā pusvadītājus. Turklāt silīcija karbīds ir neatņemama sastāvdaļa kompozītmateriālu bruņojumā, piemēram, Čobhemas bruņojumā vai keramikas plāksnēs, ko izmanto bruņuvestēs.

Edvards Goodrich Achesons pirmo reizi mākslīgi sintezēja SiC 1891. gadā, mēģinot ražot sintētiskos dimantus. Radot cietus, zili melnus kristālus, kurus viņš nosauca par karborundu, jo tos kļūdaini nosauca par korundam līdzīgu savienojumu, viņa metode ir kļuvusi par mūsdienu SiC ražošanas pamatu.

Ešona krāsnī iegūto kristālu tīrība mainās atkarībā no to attāluma no grafīta rezistora siltuma avota; tie, kas atrodas vistuvāk tam, parasti ir dzidri, bet tie, kas atrodas tālāk, kļūst tumšāki ar slāpekļa vai alumīnija piedevu, kas samazina vadītspēju. Lieli monokristāli, ko ražo komerciāli, izmantojot modificētus Lely procesus vai fizikālo tvaiku transportēšanu.

Drošība

Silīcija karbīda putekļi var būt kairinoši, kas var veicināt neprogresējošu plaušu fibrozi un izraisīt deguna un acu kairinājumu. Ilgstoša iedarbība var pat izraisīt pneimokoniozi - hronisku plaušu slimību ar tādiem simptomiem kā anomālijas krūškurvja rentgenogrammā un plaušu funkcijas zudums; turklāt tas palielina tuberkulozes risku.

Pateicoties izcilajai cietībai un stingrībai, oglekļa šķiedras bruņas nodrošina ballistisko aizsardzību ar daudz mazāku izstrādājumu svaru nekā tradicionālie tērauda risinājumi.

Kodolenerģijas lietojumos izmanto SiC pārklājumu, jo tas ir izcili apstarojams, pārspējot Zry-4 primārajā Tresca sprieguma līmenī un vairāk, vienlaikus saglabājot pieņemamu izslēgšanas rezervi. Turklāt tas var lepoties ar zemāku neitronu absorbcijas šķērsgriezumu; gan SS-310, gan FeCrAl pārklājumi uzrāda nedaudz negatīvākas MTC vērtības pie BOL nekā SiC; tomēr pēc 5 s LBLOCA tas ievērojami samazinās auglīgo neitronu Doplera paplašināšanās dēļ.