Silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er et eksepsjonelt materiale med enestående fysiske egenskaper. Det er motstandsdyktig mot høye temperaturer, korrosjon og slitasje, samtidig som det har lave termiske ekspansjonshastigheter.

Moissanitt forekommer naturlig i svært begrensede mengder som mineral, og har siden blitt masseprodusert ved hjelp av Edward G. Achesons elektriske batchovnsprosess, som fortsatt pågår den dag i dag.

Kjennetegn

Silisiumkarbid gir eksepsjonell kjemisk og mekanisk styrke over et bredt temperaturspekter, og motstår korrosjon og slitasje med sin høye elastisitetsmodul og lave varmeutvidelseskoeffisient. Silisiumkarbid har dessuten god motstand mot termisk sjokk, selv om den er mindre enn strukturell keramisk zirkonia.

SiC er vanligvis en elektrisk isolator, men med kontrollert tilsetning av urenheter kan det bli elektrisk ledende. Når det dopes med aluminium, bor eller gallium, blir det en halvleder av P-typen, mens nitrogen- eller fosfordoping gir halvlederegenskaper av N-typen.

Rent industrielt SiC er brunt til svart på grunn av jernforurensninger. Som et polytypisk halvledermateriale varierer krystallstrukturen med hensyn til hvordan karbon- og silisiumatomer stables i tetraeder; dette gjør at det kan oppføre seg enten som en isolator eller leder ved konstante temperaturer; dessuten er det uløselig i både vann og alkohol, men motstandsdyktig mot de fleste organiske syrer, baser og salter.

Bruksområder

Silisiumkarbidkeramikk har mange bruksområder: fra slipe- og skjæreverktøy, konstruksjonsmaterialer (skuddsikre vester og komposittpansring), bildeler som bremseskiver og lynavledere til miljøer med høy korrosjons- og slitestyrke, som petrokjemiske produksjonsanlegg eller systemer for avsvovling av røykgass.

SiC-kraftenheter utnytter halvlederegenskapene med bredt båndgap til å lede ved høyere spenninger, noe som gir mer kompakte kraftkonverteringssystemer med redusert energitap og kortere konverteringstider. SiC-enhetene overgikk dessuten silisiumkomponentene når det gjaldt koblingsstrøm og temperaturytelse, noe som resulterte i betydelige effektivitetsgevinster for sluttproduktene.

Silisiumkarbid (SiC) er i ferd med å revolusjonere kraftelektronikken på grunn av sin unike kombinasjon av fysiske og elektroniske egenskaper. MOSFET-er og Schottky-dioder laget av SiC er krafthalvlederteknologier som er mye brukt, og de utgjør nøkkelkomponenter i traksjonsomformere og ombordladere i elbiler samt DC/DC-omformere på ladestasjoner - noe som gir bedre batterirekkevidde i elbiler og økt effektivitet for industrielle applikasjoner.

Produksjon

Silisiumkarbid kan brukes til en rekke ulike formål. Maskiningeniører bruker det som avansert keramikk på grunn av dets styrke, hardhet, korrosjons- og slitestyrke, og elektroingeniører bruker dets eksepsjonelle elektriske egenskaper som halvledere. Silisiumkarbid er dessuten en viktig del av komposittpansring, for eksempel Chobham-pansring eller keramiske plater i skuddsikre vester.

Edward Goodrich Acheson syntetiserte SiC for første gang i 1891, da han forsøkte å produsere syntetiske diamanter. Han skapte harde, blåsorte krystaller som han kalte karborundum fordi de feilaktig ble oppfattet som en korundlignende forbindelse, men metoden hans har siden blitt grunnlaget for det meste av SiC-produksjonen i dag.

Renheten til krystallene som produseres i en Acheson-ovn, varierer med avstanden fra en varmekilde av grafittmotstand; de som ligger nærmest er gjerne klare, mens de som ligger lenger unna blir mørkere av nitrogen- eller aluminiumdoping, noe som reduserer ledningsevnen. Store enkeltkrystaller produseres kommersielt gjennom modifiserte Lely-prosesser eller fysisk damptransport.

Sikkerhet

Støv fra silisiumkarbid kan være en irriterende plage som kan bidra til ikke-progressiv lungefibrose og forårsake irritasjon i nese og øyne. Langvarig eksponering kan til og med føre til pneumokoniose - en kronisk lungesykdom med symptomer som unormale utslag på røntgenbilder av brystkassen og tap av lungefunksjon; i tillegg øker det risikoen for tuberkulose.

På grunn av sin overlegne hardhet og stivhet gir karbonfiberpanser ballistisk beskyttelse med mye lavere produktvekt enn tradisjonelle stålløsninger.

SiC-bekledning brukes i kjernefysiske anvendelser på grunn av sin enestående bestrålingsytelse, som overgår Zry-4 ved Tresca-spenningsnivåer på primær Tresca-spenning og utover, samtidig som den opprettholder en akseptabel nedstengningsmargin. Både SS-310- og FeCrAl-kledninger viser marginalt mer negative MTC-verdier ved BOL enn SiC, men dette avtar betydelig etter 5 sekunders LBLOCA på grunn av Doppler-utvidelse av fertile nøytroner.