karbid kremíka

Karbid kremíka (SiC) je výnimočný materiál s vynikajúcimi fyzikálnymi vlastnosťami. Je odolný voči vysokým teplotám, korózii a opotrebeniu a zároveň sa vyznačuje nízkou mierou tepelnej rozťažnosti.

Moissanit sa v prírode vyskytuje ako minerál len vo veľmi obmedzených množstvách a odvtedy sa hromadne vyrába pomocou procesu elektrického šaržového tavenia, ktorý vyvinul Edward G. Acheson a ktorý sa používa dodnes.

Charakteristiky

Karbid kremíka ponúka výnimočnú chemickú a mechanickú odolnosť v širokom teplotnom rozsahu, odoláva korózii a oderu vďaka vysokému modulu pružnosti a nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti. Okrem toho karbid kremíka vykazuje dobrú odolnosť voči tepelným šokom, hoci v menšej miere ako konštrukčná keramika na báze zirkónu.

SiC je vo všeobecnosti elektrický izolant; pri kontrolovanom pridávaní nečistôt sa však môže stať elektricky vodivým. Pri dopovaní hliníkom, bórom alebo gáliom sa stáva polovodičom typu P, zatiaľ čo dopovanie dusíkom alebo fosforom vedie k vzniku vlastností polovodiča typu N.

Čistý priemyselný SiC má hnedú až čiernu farbu v dôsledku prímesí železa. Ako polytipový polovodičový materiál sa jeho kryštálové štruktúry líšia v závislosti od toho, ako sa atómy uhlíka a kremíka usporadúvajú do tetraédrov; vďaka tomu sa pri konštantných teplotách môže správať buď ako izolant, alebo ako vodič; navyše je nerozpustný vo vode aj v alkohole, ale odolný voči väčšine organických kyselín, zásad a solí.

Aplikácie

Keramika z karbidu kremíka nachádza uplatnenie v mnohých odvetviach: od brúsnych a rezacích nástrojov, konštrukčných materiálov (nepriestrelné vesty a kompozitné pancierovanie), automobilových dielov, ako sú brzdové kotúče a bleskozvody, až po prostredia s vysokou odolnosťou voči korózii a oderu, ako sú petrochemické výrobné závody alebo systémy odsírenia spalín.

Výkonové prvky z SiC využívajú vlastnosti polovodiča so širokou šírkou zakázaného pásma, vďaka čomu dokážu pracovať pri vyšších napätiach, čo umožňuje vytvárať kompaktnejšie systémy na konverziu energie so zníženými stratami energie a kratšími časmi konverzie. Okrem toho prvky z SiC prekonali svoje kremíkové náprotivky, pokiaľ ide o spínací prúd a teplotnú odolnosť, čo v konečných produktoch vedie k významnému zvýšeniu účinnosti.

Karbid kremíka (SiC) vďaka svojej jedinečnej kombinácii fyzikálnych a elektronických vlastností rýchlo prináša revolúciu v oblasti výkonovej elektroniky. MOSFETy a Schottkyho diódy vyrobené z SiC sú široko využívané technológie výkonových polovodičov a tvoria kľúčové komponenty v trakčných meničoch a palubných nabíjačkách elektrických vozidiel, ako aj v DC/DC meničoch nachádzajúcich sa na nabíjacích staniciach – to sa prejavuje v zlepšení dojazdu elektrických vozidiel a zvýšení účinnosti priemyselných aplikácií.

Výroba

Z karbidu kremíka sa dajú vyrábať rôzne materiály pre rozmanité účely. Strojní inžinieri ho využívajú ako pokročilú keramiku pre jeho pevnosť, tvrdosť, odolnosť proti korózii a opotrebeniu, rovnako ako elektrotechnici, ktorí využívajú jeho výnimočné elektrické vlastnosti v polovodičoch. Okrem toho karbid kremíka zohráva kľúčovú úlohu v kompozitných pancieroch, ako je napríklad pancier Chobham, alebo v keramických platniach používaných v nepriestrelných vestách.

Edward Goodrich Acheson prvýkrát umelo syntetizoval SiC v roku 1891 pri pokuse o výrobu syntetických diamantov. Hoci vytvoril tvrdé, modročierne kryštály, ktoré nazval „carborundum“ (vzhľadom na to, že ich nesprávne identifikoval ako zlúčeninu podobnú korundu), jeho metóda sa odvtedy stala základom väčšiny súčasnej výroby SiC.

Čistota kryštálov vyrobených v Achesonovej peci závisí od ich vzdialenosti od grafitového odporového zdroja tepla; tie, ktoré sú k nemu najbližšie, bývajú číre, zatiaľ čo tie vzdialenejšie majú tendenciu tmavnúť v dôsledku dopovania dusíkom alebo hliníkom, čo znižuje ich vodivosť. Veľké monokryštály sa komerčne vyrábajú pomocou modifikovaných Lelyho procesov alebo fyzikálneho transportu pary.

Bezpečnosť

Prach z karbidu kremíka môže byť dráždivým faktorom, ktorý môže prispievať k neprogresívnej pľúcnej fibróze a spôsobiť podráždenie nosa a očí. Dlhodobá expozícia môže dokonca viesť k pneumokonióze – chronickému ochoreniu pľúc, ktorého príznaky zahŕňajú abnormality na röntgenových snímkach hrudníka a zhoršenie pľúcnych funkcií; navyše zvyšuje riziko tuberkulózy.

Vďaka svojej mimoriadnej tvrdosti a tuhosti poskytuje pancier z uhlíkových vlákien balistickú ochranu pri oveľa nižšej hmotnosti výrobku v porovnaní s tradičnými oceľovými riešeniami.

V jadrových aplikáciách sa využíva plášť z SiC vďaka jeho vynikajúcej odolnosti voči ožiareniu, ktorá prekonáva vlastnosti materiálu Zry-4 pri úrovniach primárneho Trescovho napätia a nad nimi, pričom si stále zachováva prijateľnú rezervu pre odstavenie reaktora. Okrem toho sa vyznačuje nižším prierezom absorpcie neutrónov; obaly z materiálov SS-310 aj FeCrAl vykazujú pri BOL o niečo negatívnejšie hodnoty MTC ako SiC; tieto hodnoty sa však po 5 s od LBLOCA výrazne znižujú v dôsledku Dopplerovho rozšírenia plodných neutrónov.