Vlastnosti a aplikácie karbidu kremíka

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších a najpevnejších materiálov na Zemi, známy svojou pevnosťou, tepelnou vodivosťou a odolnosťou voči kyselinám – vďaka týmto vlastnostiam je vhodný na použitie v rôznych priemyselných odvetviach.

SiC je prírodný minerál známy pod názvom moissanit; od roku 1893 sa však hromadne vyrába vo forme prášku a kryštálov na použitie ako brúsivo a na ďalšie priemyselné účely, ako aj ako substrát pre polovodiče.

Charakteristiky

Karbid kremíka sa vyznačuje jedinečnými vlastnosťami, vďaka ktorým patrí medzi najvýhodnejšie priemyselné materiály. Medzi pokročilými keramickými materiálmi vyniká najmä svojou tvrdosťou a nízkou hmotnosťou; okrem toho má vynikajúcu tepelnú vodivosť a nízku mieru tepelnej rozťažnosti; navyše ľahko odoláva erózii a oteru – vďaka týmto vlastnostiam je vhodný na použitie v systémoch výsteliek mlynov, komponentov cyklónov, striekacích dýz a extrudérov.

Karbid kremíka v čistom stave je elektrický izolant. Pridaním kontrolovaných nečistôt však možno dosiahnuť, aby sa karbid kremíka správal ako polovodičové zariadenie – hliník, bór a gálium môžu vytvoriť zariadenia typu P, zatiaľ čo dusík a fosfor vedú k vzniku zariadení typu N.

Tranzistory na báze SiC sa vyznačujú vyšším prahovým napätím a nižším odporom pri zapnutí v porovnaní so svojimi kremíkovými náprotivkami, čo umožňuje dosahovať vyššie spínacie frekvencie a vytvárať menšie systémy výkonovej elektroniky. Meniče na nabíjanie elektrických vozidiel môžu využívať SiC na zníženie rozmerov a hmotnosti svojich systémov riadenia výkonu a na zvýšenie dojazdu.

Vlastnosti

Karbid kremíka, bežne označovaný ako SiC, je mimoriadne tvrdá, synteticky vyrábaná kryštalická zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka, ktorá je chemicky inertná a odolná voči korózii (hoci je náchylná na pôsobenie kyseliny chlorovodíkovej, sírovej alebo iných kyselín).

Karbid kremíka sa vyznačuje mnohými výhodnými vlastnosťami, vďaka ktorým je cenným materiálom, medzi ktoré patrí vysoká pevnosť a tuhosť, nízka miera tepelnej rozťažnosti, odolnosť voči oxidácii a oderu, ako aj zachovanie elastickej pevnosti aj pri vysokých teplotách. Vďaka tejto kombinácii keramických a polovodičových vlastností je vynikajúcou voľbou ako pre konštrukčnú keramiku, tak aj pre brúsne materiály.

Čistý SiC je bezfarebný kryštál. Pridaním rôznych množstiev nečistôt je však možné zmeniť jeho elektrické vlastnosti tak, aby zodpovedali vlastnostiam polovodiča. Vrstvené štruktúry v kryštáloch vytvárajú rôzne polytypy karbidu kremíka s jedinečnými kryštálovými štruktúrami; najčastejšie sa vyskytuje hexagonálna kryštálová štruktúra 6H-SiC, ktorá je podľa spoločnosti Wolfspeed vhodná pre výkonovú elektroniku vďaka širokej šírke zakázaného pásma 1,12 eV.

Aplikácie

Jedinečné fyzikálne a elektronické vlastnosti karbidu kremíka prinášajú revolúciu v oblasti výkonovej elektroniky. Nové zariadenia vyrobené s využitím SiC sa v porovnaní so svojimi predchodcami vyznačujú vyššou spoľahlivosťou, nižšími stratami výkonu, rýchlejšími spínacími časmi a vyššou energetickou účinnosťou.

Čistý karbid kremíka sa správa ako elektrický izolant; dopovanie kontrolovanými nečistotami (tzv. dopantmi) však za určitých okolností umožňuje, aby viedol elektrický prúd. Dopovanie hliníkom, bórom a gáliom vedie k vzniku polovodičov typu P; dopovanie fosforom a dusíkom vedie k vzniku polovodičov typu N.

Atómová štruktúra karbidu kremíka sa podobá štruktúre atómov uhlíka a kremíka, ktoré sú kovalentne spojené do dvoch primárnych koordinačných tetraédrov, pričom štyri atómy uhlíka a štyri atómy kremíka sú kovalentne viazané medzi sebou a tvoria dva primárne koordinačné tetraédre – z ktorých každý pozostáva zo štyroch atómov uhlíka a štyroch atómov kremíka kovalentne navzájom spojených – kovalentne viazaných kovalentnými väzbami. Dá sa z neho vyrábať v rôznych tvaroch; zvyčajne sa rozomelie na jemný prášok a potom sa zmieša s neoxidovými spájacími prostriedkami na spekanie, ako sú organokremíkové pojivá, čím vznikne pastovitá zmes, ktorú je možné následne tvarovať pomocou procesov studenej izostatického lisovania alebo extrudovania – široko sa používa v rezných nástrojoch, konštrukčných materiáloch (nepriestrelné vesty/kompozitné pancierové materiály), výrobe automobilových dielov, výrobe zrkadlových materiálov, ako aj zrkadlových materiálov pre astronomické ďalekohľady.

Výroba

Karbid kremíka patrí medzi najtvrdšie a najpevnejšie moderné keramické materiály, ktoré sa vyznačujú nízkou mierou tepelnej rozťažnosti, odolnosťou voči kyselinám, odolnosťou voči erózii a vynikajúcou odolnosťou voči opotrebeniu.

Pri výrobe karbidu kremíka prebiehajú rôzne chemické reakcie, najčastejšie sa však využíva Achesonov proces. Ten spočíva v zahrievaní zmesi oxidu kremičitého a koksu na vysoké teploty, až kým medzi ich zložkami nedôjde k chemickej reakcii a nevytvoria sa kryštály.

Tieto kryštály sa následne rozomelú na jemný prášok a zmiešajú s neoxidovými spájadlami na spekanie, ako sú organokremíkové viazacie látky, čím vznikne pasta, ktorá sa zhutní a tvaruje extrudovaním alebo izostatickým lisovaním za studena.

Karbid kremíka je vďaka svojej tvrdosti a odolnosti nenahraditeľným materiálom v modernej klenotníckej výrobe. Vďaka svojej univerzálnosti sa používa na najrôznejšie účely – od výmuroviek pecí, rezacích nástrojov a brúsnych kotúčov, cez diely odolné voči opotrebeniu v čerpadlách a raketových motoroch, až po komponenty výkonovej elektroniky s nízkym odporom, ako aj na tenšie doštičky vďaka nižšiemu prierazovému napätiu.