Карбид кремния

Карбид кремния (SiC) - исключительный материал с выдающимися физическими свойствами. Он устойчив к высоким температурам, коррозии и износу, а также обладает низкими показателями теплового расширения.

Муассанит встречается в природе в очень ограниченных количествах как минерал, и с тех пор его массово производят с помощью электрической печи периодического действия Эдварда Г. Ачесона, который продолжает работать и по сей день.

Характеристики

Карбид кремния обладает исключительной химической и механической прочностью в широком температурном диапазоне, противостоит коррозии и истиранию благодаря высокому модулю упругости и низкому коэффициенту теплового расширения. Кроме того, карбид кремния демонстрирует хорошую устойчивость к тепловому удару, хотя и меньшую, чем структурная керамика циркония.

SiC, как правило, является электрическим изолятором, однако при контролируемом добавлении примесей он может стать электропроводящим. При легировании алюминием, бором или галлием он становится полупроводником P-типа, в то время как легирование азотом или фосфором приводит к появлению свойств полупроводника N-типа.

Чистый промышленный SiC имеет коричневый или черный цвет из-за примесей железа. Как полупроводниковый материал политипа, его кристаллическая структура различается тем, как атомы углерода и кремния складываются в тетраэдры; это позволяет ему вести себя либо как изолятор, либо как проводник при постоянной температуре; кроме того, он остается нерастворимым в воде и спирте, но устойчив к большинству органических кислот, щелочей и солей.

Приложения

Керамика из карбида кремния находит применение во многих областях: от абразивных и режущих инструментов, конструкционных материалов (бронежилеты и композитная броня), автомобильных деталей, таких как тормозные диски и молниеотводы, до высокоустойчивых к коррозии и истиранию сред, таких как нефтехимические производства или системы десульфуризации дымовых газов.

Силовые приборы SiC используют преимущества широкой полосы пропускания полупроводников для проведения тока при более высоком напряжении, что позволяет создавать более компактные системы преобразования энергии с меньшими потерями энергии и более коротким временем преобразования. Кроме того, SiC-устройства превосходят кремниевые аналоги по току переключения и температурным характеристикам, что приводит к значительному повышению эффективности конечных продуктов.

Карбид кремния (SiC) благодаря уникальному сочетанию физических и электронных свойств стремительно революционизирует силовую электронику. МОП-транзисторы и диоды Шоттки из SiC - широко используемые силовые полупроводниковые технологии, которые являются ключевыми компонентами тяговых инверторов и бортовых зарядных устройств электромобилей, а также DC/DC-преобразователей на зарядных станциях - это позволяет увеличить запас хода аккумуляторов электромобилей и повысить эффективность промышленных приложений.

Производство

Из карбида кремния можно изготовить множество материалов для различных целей. Инженеры-механики используют его в качестве усовершенствованной керамики благодаря его прочности, твердости, коррозионной и износостойкости, а инженеры-электрики используют его исключительные электрические свойства в качестве полупроводника. Кроме того, карбид кремния является неотъемлемой частью композитной брони, такой как броня Чобхэм, или керамических пластин, используемых в пуленепробиваемых жилетах.

Эдвард Гудрич Ачесон впервые искусственно синтезировал SiC в 1891 году, пытаясь получить синтетические алмазы. Создав твердые, сине-черные кристаллы, которые он назвал карборундом из-за того, что их неправильно определили как корундоподобное соединение, его метод впоследствии стал основой для большинства современных производств SiC.

Чистота кристаллов, полученных в печи Ачесона, зависит от расстояния до источника тепла - графитового резистора; ближайшие к нему кристаллы обычно прозрачны, а более удаленные темнеют из-за легирования азотом или алюминием, которые снижают проводимость. Крупные монокристаллы производятся на коммерческой основе с помощью модифицированных процессов Лели или физического переноса паров.

Безопасность

Пыль карбида кремния может быть раздражающим фактором, способствующим развитию непрогрессирующего фиброза легких и вызывающим раздражение носа и глаз. Длительное воздействие может даже привести к пневмокониозу - хроническому заболеванию легких, симптомы которого включают аномалии на рентгеновских снимках грудной клетки и потерю функции легких; кроме того, это повышает риск заболевания туберкулезом.

Благодаря превосходной твердости и жесткости броня из углеродного волокна обеспечивает баллистическую защиту при гораздо меньшем весе изделия, чем традиционные стальные решения.

В ядерных установках используется наплавка SiC благодаря ее выдающимся характеристикам облучения, превосходящим Zry-4 при первичном напряжении Треска и выше, при этом сохраняется приемлемый запас на выключение. Кроме того, она может похвастаться более низким сечением поглощения нейтронов; плакировки из SS-310 и FeCrAl демонстрируют несколько более отрицательные значения MTC при BOL, чем SiC; однако они значительно уменьшаются после 5 с LBLOCA из-за доплеровского уширения фертильных нейтронов.