Aplikácie karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) má neobvyklú kryštálovú štruktúru. Obsahuje štyri atómy Si a štyri atómy C v usporiadanom koordinačnom tetraedrickom usporiadaní s vrstvami uloženými do polytypov, ktoré tvoria jeho primárny koordinačný tetraedr.

Z elektrického hľadiska má karbid kremíka schopnosť odolávať napätiu päť- až desaťkrát vyššiemu ako kremík. To z neho robí vynikajúcu voľbu materiálu pre výkonové zariadenia.

Elektronika

Karbid kremíka odoláva vysokým teplotám a napätiam potrebným na prevádzku modernej elektroniky a v porovnaní s kremíkom je aj účinným polovodičovým materiálom. Táto účinnosť pomáha znižovať veľkosť a náklady na batériou napájané zariadenia.

Karbid kremíka sa od kremíka odlišuje oveľa užšou energetickou medzerou medzi jeho valenčným a vodivostným pásom, čo umožňuje elektrónom ľahšie prechádzať medzi týmito pásmi v porovnaní s kremíkom, a tak zvládnuť takmer desaťkrát väčší elektrický prúd, než zvládnu porovnateľné zariadenia vyrobené z kremíka.

Inžinieri môžu vyrábať kubický karbid kremíka spekaním prášku SiC v kombinácii s neoxidovými spojivami. Okrem toho sa kryštály SiC môžu pestovať aj chemickou depozíciou z plynnej fázy. Pri tejto technike sa do vákuovej komory privádza špeciálna zmes plynov, ktoré sa potom nanášajú na substráty.

Fyzikálne vlastnosti karbidu kremíka, medzi ktoré patrí tvrdý a odolný povrch, ako aj jeho odolnosť voči kyselinám, z neho robia vynikajúci brúsny materiál pre priemyselné obrábanie, ako je lapidárium. Karborundovú drť možno nájsť aj v kolografickej tlači, kde sa nanáša priamo na hliníkovú dosku, natiera sa atramentom a potom sa na účely tlače lisuje na papier.

Nepriestrelné brnenie

Keramika z karbidu kremíka je vynikajúcou voľbou pre pancier, pretože dokáže absorbovať energiu projektilu a spomaliť ho, čím znižuje riziko zranenia alebo smrti. Ich ľahká povaha poskytuje nositeľom väčšiu pohyblivosť a pohodlie, zatiaľ čo ich vysoká tvrdosť umožňuje odolávať hrozbám, ako sú guľky a pancierové strely, ako aj úlomky s vysokou rýchlosťou.

Pancier vyrobený z karbidu kremíka je k dispozícii vojenskému personálu aj príslušníkom orgánov činných v trestnom konaní na ochranu pred strelnými a ostrými zbraňami. Predtým, ako sa môže predávať koncovým používateľom alebo výrobcom, musí pancier z karbidu kremíka prejsť prísnymi testovacími postupmi, ktoré overujú, či spĺňa medzinárodné normy.

Pancier z karbidu kremíka má oproti svojim kovovým náprotivkom niekoľko kľúčových výhod vrátane vynikajúcej tepelnej odolnosti, ktorá ho chráni pred deformáciou pri náraze, a vysokej tvrdosti a pevnosti v ťahu materiálu karbidu kremíka, vďaka ktorým zostáva jeho plát neporušený aj pri zásahu strelami, čím sa predchádza jeho zlomeniu alebo rozbitiu.

Cookov patent podrobne opisuje všetky klasické princípy keramického kompozitného panciera, od použitia viacerých dlaždíc oxidu hlinitého ako mozaiky na maximalizáciu schopnosti viacnásobného zásahu až po tuhý podklad a koncepciu konoidu zlomeniny. Zatiaľ čo väčšina keramiky sa ľahko ničí tvarovanými nábojmi, táto konkrétna konštrukcia dosiek z karbidu kremíka podložených oxidom hlinitým dokázala počas testov s tvarovanými nábojmi odolať celej svojej sile; vďaka tomu je vhodná pre policajné vozidlá aj pre civilné vozidlá na špeciálne účely.

Dodávka energie

Kremíkové (Si) polovodiče dobre fungujú v elektronike s nízkym výkonom, ale ich obmedzenia sa prejavujú, keď zariadenia pracujú pri vyšších teplotách, napätiach a frekvenciách. Karbid kremíka (SiC) ponúka v takýchto obvodoch lepší výkon ako Si vďaka väčšiemu energetickému pásmu, ktoré odoláva vyšším teplotám, a lepším vlastnostiam tepelného manažmentu.

Technológia karbidu kremíka tiež umožňuje, aby elektronické komponenty boli menšie a pracovali rýchlejšie vďaka svojej vynikajúcej odolnosti voči výkyvom elektrického napätia, ktorá je desaťkrát vyššia ako u tradičného kremíka a nitridu gália v systémoch s napätím vyšším ako 1000 V. Preto sú napájacie zariadenia z karbidu kremíka ideálne pre elektrické vozidlá (EV), solárne striedače a iné systémy obnoviteľných zdrojov energie.

Karborundum (Ceram) je kryštalická forma karbidu kremíka. Ceram, ktorý sa vyrába od roku 1893 ako brúsivo, zohráva neoddeliteľnú úlohu aj v keramických doskách nepriestrelných viest a môže sa pochváliť tým, že je jedným z najtvrdších materiálov hneď po diamante. Obrábanie tohto materiálu s presnými toleranciami si vyžaduje vysokú úroveň zručnosti, pretože sa môžu použiť rôzne techniky brúsenia a lapovania; po tom, čo hotové výrobky prejdú dôkladnými kontrolami, aby sa zabezpečili ich mechanické vlastnosti a bezpečnostné normy.

Mechanické aplikácie

Karbid kremíka sa už dlho považuje za neoceniteľné priemyselné brúsivo vďaka svojej extrémnej tvrdosti a húževnatosti, čo ho robí užitočným pri brúsení alebo rezaní materiálov s nízkou pevnosťou v ťahu vrátane skla, keramiky, kameňa a žiaruvzdorných materiálov. Vďaka svojej odolnosti v extrémnych podmienkach sa osvedčil ako obľúbený materiál pre brúsne kotúče; okrem toho je vďaka svojej trvanlivosti neoddeliteľnou súčasťou moderných lapidárnych zariadení na rezanie a leštenie drahých kameňov vrátane moissanitu.

PEEK je chemicky inertný a vysoko odolný voči korózii pri vysokých teplotách. Okrem toho jeho veľmi vysoký modul pružnosti zabezpečuje vynikajúcu rozmerovú stabilitu; vysoká pevnosť v tlaku, nízka pórovitosť a nulová hustota pórov z neho robia ideálny materiál pre mechanické tesnenia a ložiská; je obzvlášť užitočný v systémoch čerpadiel a pohonov, ktoré musia čeliť agresívnym médiám.

Karbid kremíka možno využiť v širokej škále polovodičových zariadení. Vďaka svojej kryštalickej štruktúre a neobvyklým elektrickým vlastnostiam sa karbid kremíka odlišuje od svojich konkurentov tým, že v závislosti od teploty a aplikácie funguje ako polovodič typu P aj ako polovodič typu N - čo je výhodná vlastnosť, vďaka ktorej je tento materiál ideálny pre aplikácie vrátane žiaruvzdorných výmuroviek, elektrických pecí, keramiky a ďalších.