Egenskaper og bruksområder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid er et av de hardeste og sterkeste materialene på jorden, kjent for sin styrke, varmeledningsevne og syrebestandighet - egenskaper som gjør det egnet til bruk i mange ulike bransjer.

SiC er et naturlig forekommende mineral som kalles moissanitt, men siden 1893 har det blitt masseprodusert i pulver- og krystallform for bruk som slipemiddel og til andre industrielle formål og halvledersubstrater.

Kjennetegn

Silisiumkarbid har unike egenskaper som gjør det til et av de mest fordelaktige industrielle materialene. Blant de avanserte keramiske materialene er det både hardt og lett, det har utmerket varmeledningsevne og lave varmeutvidelseshastigheter, og det er lett å håndtere erosjon og slitasje - egenskaper som gjør det velegnet til bruk i fôringssystemer for kverner, syklonkomponenter, sprøytedyser og ekstrudere.

Silisiumkarbid i ren tilstand er en elektrisk isolator. Ved å tilsette kontrollerte urenheter kan man imidlertid få silisiumkarbid til å oppføre seg som en halvleder - aluminium, bor og gallium kan skape enheter av P-typen, mens nitrogen og fosfor gir opphav til enheter av N-typen.

SiC-transistorer har høyere gjennomslagsspenning og lavere påslåingsmotstand sammenlignet med tilsvarende silisiumtransistorer, noe som muliggjør høyere koblingsfrekvenser og mindre kraftelektroniske systemer. Omformere for lading av elbiler kan bruke SiC for å redusere størrelsen og vekten på strømstyringssystemene og øke rekkevidden.

Egenskaper

Silisiumkarbid, ofte kalt SiC, er en eksepsjonelt hard, syntetisk fremstilt krystallinsk forbindelse som består av silisium og karbon, og som er kjemisk inert og korrosjonsbestandig (selv om den er utsatt for angrep fra saltsyre, svovelsyre eller andre syrer).

Silisiumkarbid har mange fordelaktige egenskaper som gjør det til et verdifullt materiale, blant annet høy styrke og stivhet, lave termiske ekspansjonshastigheter, motstand mot oksidasjon og slitasje, samt at det beholder sin elastiske motstand selv ved høye temperaturer. Kombinasjonen av keramiske egenskaper og halvlederegenskaper gjør det til et utmerket materialvalg for både strukturkeramikk og slipemidler.

Ren SiC er en fargeløs krystall. Ved å tilsette ulike mengder urenheter kan imidlertid de elektriske egenskapene endres til halvlederegenskaper. Lagdelte strukturer i krystallene gir ulike polytyper av silisiumkarbid med unike krystallstrukturer. Den vanligste er den sekskantede 6H-SiC-krystallstrukturen, som egner seg for kraftelektronikk på grunn av det brede båndgapet på 1,12 eV, ifølge Wolfspeed.

Bruksområder

Silisiumkarbidets unike fysiske og elektroniske egenskaper er i ferd med å revolusjonere kraftelektronikken. Nye enheter som er laget med SiC, kan skilte med økt pålitelighet, lavere effekttap, raskere koblingstider og større energieffektivitet sammenlignet med sine forgjengere.

Rent silisiumkarbid oppfører seg som en elektrisk isolator, men doping med kontrollerte urenheter (såkalte dopingstoffer) gjør at det kan lede strøm under visse omstendigheter. Doping med aluminium, bor og gallium gir halvledere av P-typen, mens doping med fosfor og nitrogen gir halvledere av N-typen.

Silisiumkarbid har en atomstruktur som ligner den til karbon- og silisiumatomer som er kovalent bundet sammen i to primære koordinasjonstetraeder, med fire karbon- og fire silisiumatomer som er kovalent bundet til hverandre for å danne to primære koordinasjonstetraeder - hver bestående av fire karbon- og fire silisiumatomer som er kovalent bundet til hverandre - kovalent bundet med kovalente bindinger. Det kan dyrkes til ulike former; vanligvis males det til fint pulver og blandes deretter med ikke-oksidiske sintringshjelpemidler som organiske silisiumbindemidler for å danne en deigaktig blanding som deretter kan formes ved hjelp av kald isostatisk pressing eller ekstruderingsprosesser - brukes i stor utstrekning i skjæreverktøy, strukturelle materialer (skuddsikre vester/komposittpanser), produksjon av bildeler, produksjon av speilmateriale samt speilmateriale til astronomiske teleskoper.

Produksjon

Silisiumkarbid er et av de hardeste og sterkeste avanserte keramiske materialene, med lav termisk ekspansjon, syrebestandighet, erosjonsbestandighet og utmerket slitestyrke.

Silisiumkarbid produseres ved hjelp av ulike kjemiske reaksjoner, men den vanligste er Acheson-prosessen. Denne går ut på å varme opp en blanding av silisiumdioksyd og koks ved høye temperaturer til kjemikaliene reagerer kjemisk og danner krystaller.

Krystallene males deretter til et fint pulver og kombineres med ikke-oksydiske sintringshjelpemidler, for eksempel organiske silisiumbindemidler, for å lage en pasta som komprimeres og formes ved hjelp av ekstrudering eller kald isostatisk pressing.

Silisiumkarbid er et uunnværlig materiale i moderne lapidarium, takket være sin hardhet og holdbarhet. Materialets allsidighet har ført til at det brukes til alt fra ovnsforinger, skjæreverktøy og slipeskiver, slitesterke deler i pumper og rakettmotorer, kraftelektronikkomponenter med lav motstand samt tynnere wafere på grunn av en lavere gjennomslagsspenning.