Zastosowania węglika krzemu

Węglik krzemu, powszechnie określany jako karborund /karb@rndu/, to niezwykle twardy syntetyczny związek krystaliczny krzemu i węgla, który od dawna jest wykorzystywany jako materiał ścierny i odporny na zużycie w różnych dziedzinach, takich jak materiały ogniotrwałe i ceramika, produkcja części odpornych na zużycie, produkcja substratów diod elektroluminescencyjnych i substratów półprzewodnikowych do diod elektroluminescencyjnych (LED). Od końca XIX wieku służy również jako podłoże półprzewodnikowe w diodach elektroluminescencyjnych (LED).

Elektronika mocy, która działa w wysokich temperaturach i napięciach, również polega na tym materiale w celu zapewnienia niezawodnego działania.

Wysokowydajne tarcze hamulcowe

Węglik krzemu (SiC), powszechnie nazywany karborundem od 1891 roku, stał się powszechnie produkowany od czasu jego odkrycia i wprowadzenia do masowej produkcji. Używany głównie w zastosowaniach wymagających ekstremalnej wytrzymałości, takich jak hamulce i sprzęgła samochodowe, a także kamizelki kuloodporne zawierające płytki ceramiczne wykonane z tego związku, plasuje się na 9 miejscu w skali twardości Mohsa - ustępując jedynie diamentowi wśród substancji naturalnych.

SiC jest stosunkowo łatwy w obróbce i produkcji, co czyni go popularnym wyborem dla komponentów, które będą miały kontakt z wysokimi temperaturami, takimi jak tarcze hamulcowe. Ponieważ ich powierzchnie cierne mogą osiągać temperatury, które mogłyby stopić stal lub uszkodzić inne materiały, wiele układów hamulcowych wykorzystuje wentylowane tarcze z wieloma otworami lub szczelinami zaprojektowanymi do uwalniania gazów powstających, gdy ich powierzchnia cierna się nagrzewa.

SiC jest produkowany przez różnych producentów do użytku w materiałach ściernych, metalurgicznych i ogniotrwałych. Edward Acheson był pionierem skutecznej metody tworzenia tego materiału w 1891 roku - umieszczenie czystego piasku krzemionkowego ze zmielonym węglem koksowym w piecu ogrzewanym elektrycznie, a następnie przepuszczenie przez niego prądu elektrycznego powoduje reakcje chemiczne, które wytwarzają małe kryształy SiC, które są mielone do postaci proszku do użytku komercyjnego.

Pancerz kuloodporny

Węglik krzemu (SiC) to bardzo twardy, syntetycznie wytwarzany związek krystaliczny składający się z krzemu i węgla, którego twardość w skali Mohsa przewyższają jedynie węglik boru i diament. Od końca XIX wieku jest wykorzystywany w elementach odpornych na zużycie, takich jak ściernice, narzędzia tnące i papier ścierny, ze względu na swoją twardość i inne pożądane właściwości. Ponadto można go znaleźć jako część materiałów ogniotrwałych, ceramiki, a nawet półprzewodnikowych podłoży dla diod elektroluminescencyjnych (LED).

Edward Acheson po raz pierwszy sztucznie wyprodukował moissanit około 1891 roku, kiedy dokonał nieoczekiwanego odkrycia małych czarnych kryształów podczas procesu podgrzewania mieszanek węgla i tlenku glinu, co doprowadziło go do stworzenia procesu Achesona i komercyjnej produkcji. Jego naturalny odpowiednik można znaleźć tylko w meteorytach lub niektórych materiałach ogniotrwałych.

SiC składa się z ściśle upakowanych warstw połączonych ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi. Każda z tych warstw zawiera dwa podstawowe tetraedry koordynacyjne składające się z czterech atomów krzemu i czterech atomów węgla ułożonych w różnych układach, tworząc różne odmiany SiC; struktury te oferują ekstremalną twardość z indywidualnymi właściwościami fizycznymi, które różnią się znacznie.

SiC jest idealnym materiałem dla komponentów narażonych na ekstremalne obciążenia i ekstremalne temperatury, w tym łożysk pomp, zaworów, wtryskiwaczy do piaskowania, uszczelnień wałów przy dużych prędkościach, a także luster w dużych teleskopach astronomicznych ze względu na połączenie wytrzymałości, sztywności, przewodności cieplnej i niskiej rozszerzalności cieplnej. Dzięki tym właściwościom jest często stosowany w zastosowaniach inżynieryjnych wymagających komponentów o tych właściwościach, takich jak łożyska pomp, zawory, wtryskiwacze do piaskowania, a także uszczelnienia wałów przy dużych prędkościach.

Materiały półprzewodnikowe

Węglik krzemu odnotował niezwykły wzrost popularności ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na elektronikę mocy. Jego połączenie właściwości fizycznych i elektronicznych sprawia, że idealnie nadaje się do wytwarzania wyższych pól elektrycznych, niższych strat przełączania i większej wydajności energetycznej.

Węglik krzemu, choć normalnie jest izolatorem, można przekształcić w półprzewodnik poprzez domieszkowanie pewnymi zanieczyszczeniami. Po domieszkowaniu glinem, borem, galem lub azotem (półprzewodnik typu P), węglik krzemu zachowuje się jak półprzewodnik typu N; po domieszkowaniu fosforem działa jak półprzewodnik typu N. Domieszki wpływają na ruchliwość elektronów pod względem struktury pasmowej - elektrony poruszają się wzdłuż pasm przewodnictwa, podczas gdy dziury przemieszczają się wzdłuż pasm walencyjnych.

SiC jest znany z wyjątkowo szerokiej przerwy pasmowej, co pozwala mu osiągnąć znacznie wyższe pola elektryczne przebicia niż konwencjonalny krzem. Prowadzi to do zmniejszenia strat przełączania i mniejszego zużycia komponentów, co skutkuje większą wydajnością energetyczną; jest to szczególnie cenne w systemach konwersji energii pojazdów elektrycznych, które muszą wytrzymywać wyższe napięcia i temperatury.

Węglik krzemu może być również wykorzystywany w materiałach kompozytowych, takich jak węglik krzemu wzmocniony włóknem węglowym (CFRC), do produkcji wytrzymałych, ale lekkich struktur, które są odporne na ekstremalne temperatury i naprężenia, takie jak te występujące podczas hamowania. Co więcej, węglik krzemu służy jako składnik pancerzy kuloodpornych, takich jak pancerz Chobham, ponieważ może wytrzymać uderzenia z dużą prędkością.

Magazynowanie energii

Węglik krzemu (SiC), powszechnie nazywany karborundem, jest niezwykle mocnym i ostrym materiałem o najwyższej wytrzymałości na rozciąganie spośród wszystkich naturalnych materiałów. Skrystalizowany w ciasno upakowane wiązania kowalencyjne składające się z 4 atomów krzemu i 4 atomów węgla, SiC jest wysoce odporny na kwasy nieorganiczne, sole i zasady, a jednocześnie posiada jedną z najwyższych dostępnych obecnie wytrzymałości na rozciąganie.

Moissanit, który naturalnie występuje jako rzadki minerał moissanit, jest masowo produkowany w postaci proszku od 1907 r. do różnych zastosowań, takich jak ściernice i twarde materiały ceramiczne, takie jak hamulce samochodowe i sprzęgła, a także kamizelki kuloodporne. Od 1907 r. jest również wykorzystywany w zastosowaniach elektronicznych, takich jak diody elektroluminescencyjne (LED) i detektory.

Czysty SiC jest izolatorem elektrycznym. Jednak poprzez dodanie domieszek, takich jak azot i fosfor (domieszki są używane do modyfikowania właściwości materiału), domieszki pozwalają SiC działać jak półprzewodnik i pomagają urządzeniom energoelektronicznym efektywnie przełączać się między stanami przewodzącymi i nieprzewodzącymi w celu wydajnego generowania lub zużywania energii.

Półprzewodniki SiC oferują znaczną poprawę w stosunku do tradycyjnych półprzewodników krzemowych, jeśli chodzi o straty napięcia i prądu, sprawność cieplną oraz redukcję rozmiaru/wagi w porównaniu do ich krzemowych odpowiedników. W związku z tym SiC idealnie nadaje się do stosowania w falownikach i przetwornicach DC/DC znajdujących się w pojazdach elektrycznych w celu ułatwienia szybkiego ładowania prądem stałym, przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru / masy poprzez zmniejszenie rozmiarów / masy podstawowych elementów energoelektronicznych. Może nawet pracować w wyższych temperaturach/częstotliwościach niż zwykłe półprzewodniki!