Что такое карбид кремния?

Карбид кремния используется в электронных устройствах, которые усиливают, переключают или преобразуют сигналы в электрической цепи. Благодаря более низкому сопротивлению напряжению и температурным возможностям эти устройства могут работать на более высоких частотах с меньшими потерями мощности.

SiC производится в электрической печи по методу Ачесона путем нагревания кварцевого песка, смешанного с углеродом, обычно получаемым из нефтяного кокса, в электрической печи. В результате получаются мелкие кристаллические зерна с зеленым или черным оттенком в зависимости от степени чистоты.

Характеристики

Карбид кремния (sic) - это ковалентно связанный светло-серый твердый материал с чрезвычайно высокой температурой плавления и сильной коррозионной стойкостью, обладающий отличной устойчивостью к тепловым ударам и вибрациям, а также жесткостью, прочностью и плотностью. Его кристаллическая структура состоит из тесно упакованных первичных координационных тетраэдров, состоящих из четырех атомов кремния, соединенных четырьмя атомами углерода, расположенных гексагонально в пределах гексагональных единиц для облегчения процесса производства; эти первичные координационные тетраэдры обеспечивают интересные электрические свойства - например, выступают в качестве изолятора в чистом виде, а легированные другими элементами могут проявлять полупроводимость или проводимость при легировании другими элементами.

Благодаря своей твердой, абразивной природе и износостойкости карбид кремния с конца XIX века используется в качестве абразива для шлифования, пескоструйной обработки, хонингования и гидроабразивной резки, а также в металлургии и производстве стали. Кроме того, карбид кремния играет важную роль в производстве керамических тормозных дисков для автомобилей, снижая трение и уровень шума.

Полупроводники из карбида кремния обладают значительными преимуществами перед кремниевыми полупроводниками в электронных приложениях, включая в 10 раз большую напряженность электрического поля пробоя, значительно меньшее сопротивление дрейфового слоя на единицу площади и большую устойчивость к воздействию напряжения (от 600 В до тысяч В). Тонкие слои карбида кремния также позволяют добиться меньших размеров устройств и более высокой плотности мощности, что способствует его использованию в системах управления питанием электромобилей, что позволяет увеличить дальность хода аккумулятора.

Приложения

Карбид кремния обладает превосходными трибологическими свойствами, высокой прочностью, коррозионной стойкостью и может работать при высоких температурах, не разрушаясь и не растрескиваясь. Карбид кремния находит применение в составе инструментов из карбида вольфрама, а также в абразивной обработке.

Пластины из карбида кремния, широко используемые в электронных устройствах, требуют меньшей мощности, чем их кремниевые аналоги, чтобы эффективно работать при более высоких напряжениях, температурах, частотах и теплопроводности; кроме того, они обладают большей теплопроводностью и устойчивостью к тепловому удару, что позволяет создавать более компактные пассивные компоненты с меньшим весом и стоимостью по сравнению с решениями на основе кремния. Диоды Шоттки и МОП-транзисторы (как в дискретном исполнении, так и в виде силовых модулей) являются популярными примерами использования этого материала.

SiC - впечатляющий материал для работы, однако его производство требует сложного процесса, включающего смешивание, дробление и спекание сырья до превращения в плотный черный или серый порошок, который затем может быть разрезан или измельчен до определенных размеров для различных целей.

Washington Mills предлагает карбид кремния CARBOREX(r) различных химикатов и размеров для различных отраслей промышленности, таких как абразивная обработка, керамическая изоляция металлургических огнеупоров Огнеупоры Проволока Пиление Износостойкость. Наша команда экспертов готова продемонстрировать вам все его возможности!

Производство

Карбид кремния производится путем спекания тонко измельченной смеси сырьевых материалов. Это сырье может включать различные элементы, такие как песок и нефтяной кокс, или даже два или более различных материалов, которые смешиваются в соответствии с определенными соотношениями, после чего помещаются в электродуговую печь и нагреваются до высоких температур. Частицы кокса или песка сгорают, образуя углерод, который затем соединяется с кремнием, образуя то, что мы знаем как карбид кремния.

Сырой карбид кремния очищают путем сортировки, измельчения и химической обработки, чтобы получить готовые зерна и порошки, пригодные для различных целей. Черно-серый карбид кремния, из которого тверже только алмаз и кубический нитрид бора, обычно используется для изготовления керамических пластин, применяемых в пуленепробиваемых жилетах - они обеспечивают надежную баллистическую защиту и одновременно значительно легче, чем варианты из бронированной стали или оксида алюминия.

Чистый карбид кремния в природе встречается редко, и его приходится получать искусственным путем. Метод Лели включает в себя нагревание гранитного тигля при высоких температурах для сублимации порошка карбида кремния в кристаллы, которые затем осаждаются на графитовые подложки при более низких температурах с помощью другого процесса, известного как сублимация. После этого кристаллы можно обрезать до нужных размеров и форм, а затем легировать примесями, такими как бор, для получения проводимости P-типа в SiC.

Безопасность

Устойчивость карбида кремния к высоким температурам и радиации делает его идеальным материалом для электроники космических аппаратов, работающих в условиях палящей поверхности Венеры с температурой 460 градусов Цельсия и сильного атмосферного давления Юпитера. Радиационно-стойкая электроника из карбида кремния позволит уменьшить размеры космических аппаратов, включить в каждую миссию больше научных приборов и увеличить продолжительность работы, что приведет к уменьшению размеров и веса при увеличении продолжительности миссий.

Композиты с матрицей SiC, армированные непрерывными волокнами (SiCf/SiC), являются перспективными материалами для первых стенок и оболочек будущих термоядерных реакторов, поскольку они обладают многими необходимыми свойствами, включая высокотемпературные механические характеристики с более высокой устойчивостью к повреждениям, чем монолитный SiC [1,2], превосходную теплопроводность и пониженную активацию к нейтронно-индуцированной радиоактивности [3-6].

На рис. 9a-c показано, что, согласно представленным здесь результатам структурного анализа, облицовки SS-310 и Zry-4 демонстрируют схожий запас прочности в интервалах первичного напряжения Треска в LBLOCA; однако SiC обеспечивает больший запас благодаря более высоким значениям первичного напряжения Треска и предельной прочности на растяжение, чем Zry-4.

На рисунке 11 показано, что эффекты пространственного самоэкранирования зависят от типа оболочки. Как можно видеть для каждой модели (SiC или SS-310), накопление Pu-239 отличается во время испытаний LBLOCA с топливными таблетками из каждой из них, что приводит к большей концентрации Pu-239 вблизи соответствующих моделей оболочек (модель SS-310 более вероятна) во время MOL и EOL, чем модель SiC.