Nyheter om silisiumkarbid

Silisiumkarbid er et av de hardeste stoffene vi kjenner til. Det brukes som syntetisk slipemiddel og finnes naturlig som moissanitt i meteoritter, men det kan også utvinnes.

SiCs brede båndgap gjør det mulig å minimere koblingstapene samtidig som det støtter høyere frekvenser, noe som gjør det ideelt for bruk i høyspente halvlederkomponenter, som for eksempel omformere i elektriske kjøretøyer.

Hva er silisiumkarbid?

Silisiumkarbid, eller SiC, er en ekstremt hard kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon, og som forekommer naturlig som den sjeldne edelstenen moissanitt. I over 100 år har imidlertid silisiumkarbidpulver og -krystaller blitt masseprodusert for bruk som slipemiddel og for å lage keramiske komponenter som brukes i bilbremser og clutcher eller til og med skuddsikre vester. Med sin tette krystallstruktur bestående av nanokrystaller er silisiumkarbid både ekstremt hardt, svært slitesterkt og varmebestandig.

Moderne produsenter av silisiumkarbid til bruk i slipemidler og metallurgisk industri bruker Acheson-prosessen, der ren silikatsand blandet med finmalt koks plasseres i en elektrisk motstandsovn av murstein og elektrifiseres; elektrisitet går gjennom denne motstandsovnen. Karbon fra koks og silisium fra sand reagerer kjemisk, slik at det dannes SiC i kjernen og karbonmonoksidgass på overflaten. Denne prosessen skjer vanligvis ved svært høye temperaturer på mellom 1700-2500 grader Celsius. Denne prosessen produserer en solid sylindrisk ingot med lag som varierer fra grafitt på innsiden, via grafenrik SiC av høy kvalitet og grov krystallinsk struktur til lavere kvaliteter som b-SiC til bruk i metallbearbeidingsprosesser, samt ureagert materiale på utsiden som kan smeltes om ved behov. SiC kan bli enten svart eller grønt, avhengig av hvilke råmaterialer som ble brukt under bearbeidingen.

IPS Ceramics tilbyr alle de viktigste typene silisiumkarbid samt et omfattende utvalg av ovnsinnredningsprodukter som kan brukes sammen med dette bemerkelsesverdige materialet. Vårt team av eksperter på keramikk kan hjelpe deg med å velge den SiC-typen som passer best til ditt bruksområde, samtidig som vi tilbyr verktøy og maskiner som er nødvendige for riktig bruk av slipemedier for å produsere de ønskede sluttproduktene.

SiC anses generelt som inert uten toksikologiske egenskaper og med lav akutt toksisitet når det håndteres og tilberedes i henhold til standard praksis, selv om langvarig eksponering kan forårsake mild hudirritasjon samt endre inhalasjonstuberkulose hos forsøksdyr, noe som potensielt kan føre til omfattende fibrose og sykdomsutvikling. For mer informasjon, se databladet for humantoksisitet for denne forbindelsen.

Hvordan lages silisiumkarbid?

Silisiumkarbid, som vanligvis omtales med det kjemiske symbolet SiC, har mange bruksområder som slipemiddel, keramisk materiale og halvledermateriale. Silisiumkarbid er et av de hardeste materialene som finnes, og fordi det er sterkt og slitesterkt - nest etter diamant når det gjelder strekkfasthet - har det overlegen varme- og kjemisk inertitet selv ved høye temperaturer, noe som gjør det til et uunnværlig materiale i industrielle ildfaste materialer.

Edward Acheson syntetiserte silisiumkarbid på kunstig vis for første gang i 1891, da han oppdaget små, svarte krystaller i en elektrisk oppvarmet smelte av karbon og aluminiumoksid, og oppkalte prosessen etter seg selv. I dag er dette fortsatt den viktigste metoden for fremstilling av silisiumkarbid, som brukes i slipemidler, metallurgi og ildfaste materialer, i tillegg til at den brukes til å produsere naturlige moissanittmineraler.

I dag produseres silisiumkarbid ved hjelp av innovative prosesser for bruk i ulike spesialapplikasjoner. Reaksjonsbundet SiC (CB) produseres ved å blande silisium- og karbonpulver med myknere og forme det til en gjenstand. Deretter brenner man bort overflødig myknere, og til slutt reagerer det videre med gassformig eller flytende silisium for å danne ytterligere SiC-partikler. Reaksjonsbundet SiC gir kostnadseffektive, slitesterke belegg samt digler av høy kvalitet som brukes til å smelte og holde på metaller.

Kjemisk dampavsetning og enkeltkrystallvekstmetoder for produksjon av silisiumkarbid gir andre varianter. Dette innebærer at silisium og karbon vokser i vakuum eller ved høy temperatur til en bolle, på samme måte som wafere lages til faststoffelektronikk. Når denne bouleen er ferdig, kan den dopes med nitrogen eller fosfor for å produsere en halvleder av n-typen, eller med beryllium, bor eller aluminium for å produsere halvledere av p-typen.

Silisiumkarbid kan deles inn i flere kategorier avhengig av kornstørrelse, bindemiddelsammensetning, renhetsgrad og tetthet, partikkelform eller hvordan det er sintret. Slipende silisiumkarbid kan blandes med andre forbindelser og males til granulat for industrielle ildfaste materialer, og granulatet brukes deretter i sement, murstein og digler som erstatning for sement. Ildfaste materialer skiller seg fra hverandre basert på hvor nøyaktig formuleringen ble blandet og deres evne til å motstå høye temperaturer og kjemiske påkjenninger - hvert bruksområde krever sin egen kvalitetsvurdering av kvaliteten!

Hva er de viktigste bruksområdene for silisiumkarbid?

Silisiumkarbid har mange bruksområder; det er et inert materiale med utmerket varmeledningsevne, en elektrisk isolator og har en regnbuelignende glans på grunn av passiveringslaget av silisiumdioksid som dannes på overflaten. I tillegg er det svært motstandsdyktig mot mange organiske og uorganiske syrer, baser og salter, med unntak av flussyre, som potensielt kan forårsake korrosjonsproblemer.

SiC er et attraktivt halvledermateriale for bruk i kraftelektronikk på grunn av det brede båndgapet og fordelene i forhold til silisiumhalvledere, som høyere spenningstoleranse, raskere driftshastighet og reduserte koblingstap. En enkelt krystall av SiC kan deponeres som en tetraedrisk formasjon med primære koordinasjonstetraedre bestående av fire karbon- og fire silisiumatomer som er knyttet sammen i hjørnene og stablet i polare strukturer.

Rent silisiumkarbid kan fremstilles ved hjelp av Lely-prosessen, der pulverisert SiC sublimeres til høytemperaturarter som silisium, karbon, silisiumdikarbid og disilisiumkarbid ved 2500 grader C i en argongassatmosfære. Kubiske silisiumkarbidkrystaller kan deretter dyrkes ved hjelp av kjemisk dampavsetning med silan, hydrogen og nitrogen som forløpere for å produsere enkeltkrystaller på opptil 2 cm i størrelse ved hjelp av CVD-vekstprosesser som kjemisk dampavsetning.

Silisiumkarbidets motstand mot slitasje er en annen viktig egenskap. Denne egenskapen gjør at det ofte brukes som slipemateriale i maskinerings- og slipeprosesser, samt i lapidariske applikasjoner som involverer polering av fiberoptiske tråder før skjøting. Videre brukes det ofte i smykker av silisiumkarbid.

Siden silisiumkarbid er et av de to hardeste materialene på jorden, kan det være ekstremt utfordrende å maskinbearbeide deler av sintret silisiumkarbid med de presisjonsmålene som kreves for sintrede silisiumkarbidprodukter. Sintret silisiumkarbid må bestå en rekke strenge tester og inspeksjoner for å oppfylle visse krav til mekaniske egenskaper; eksponering ved innånding kan til og med føre til lungeskader hos mennesker, inkludert fibrose.

Hva er fremtiden for silisiumkarbid?

Silisiumkarbid er et av verdens hardeste stoffer og må kappes med diamantbestykkede blader for å kunne skjæres. Til tross for denne vanskeligheten kan silisiumkarbid komme til å endre bransjer som omsetter for flere milliarder dollar. For eksempel kan vekselrettere og ladere til elektriske biler med silisiumkarbid fungere ved høyere temperaturer enn tilsvarende silisiumprodukter, samtidig som bryterne kan være halvparten så store, noe som fører til vektreduksjon, kostnadsreduksjon, redusert kompleksitet og lengre batterilevetid sammenlignet med standard silisiumprodukter.

Etter hvert som stadig flere går over til elbiler, vil etterspørselen etter kraftelektronikk av silisiumkarbid øke eksponentielt. Denne raske ekspansjonen drives av store, billige wafere som produseres ved spesialiserte anlegg med sofistikert utstyr som muliggjør krystallvekst i vakuummiljøer. Disse waferne kan deretter brukes til å produsere krafthalvledere og andre enheter.

Krafthalvledere utgjør hoveddelen av det globale markedet for silisiumkarbid og brukes i en rekke bruksområder, fra elektriske kjøretøy og vindturbiner til smarttelefoner og datamaskiner. I tillegg har denne teknologien nylig fått stor utbredelse innen olje- og gassindustrien som et middel til å forbedre sikkerheten og effektiviteten.

Produsenter investerer i produksjonskapasitet for å møte den økende etterspørselen etter silisiumkarbidkomponenter, slik som SK Siltron i Bay City, Michigan, tilbyr for å møte dette behovet for SiC-wafere av høy kvalitet, finansiert gjennom et lån fra Department of Energy (DOE).

Andre produsenter svarer på den økende etterspørselen ved å gå inn i fremvoksende markeder. Kinas halvlederindustri for silisiumkarbid og galliumnitrid opplever en rask ekspansjon takket være en kraftig økning i etterspørselen etter krafthalvledere fra elbiler og industrielle applikasjoner.

Silisiumkarbid har lenge vært anerkjent for sine ildfaste og slipende egenskaper samt sin evne til å fungere under tøffe forhold, noe som gjør det ideelt for robotteknologi, produksjonsanlegg, motordrifter og skjæreverktøy og slipeskiver som krever styrke og slitestyrke. Industrielle bruksområder utgjør i dag et av de største markedene for silisiumkarbid.