Nyheter om kiselkarbid

Kiselkarbid är ett av de hårdaste ämnena som man känner till. Det används som syntetiskt slipmedel och förekommer naturligt som moissanit i meteoriter; det kan även brytas.

Tack vare sina egenskaper med stort bandgap kan SiC minimera kopplingsförlusterna samtidigt som det klarar högre frekvenser, vilket gör det idealiskt för användning i högspänningshalvledarkomponenter, såsom växelriktare i elfordon (EV).

Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid, eller SiC, är en extremt hård kemisk förening bestående av kisel och kol som förekommer naturligt i form av den sällsynta ädelstenen moissanit; men i över 100 år har kiselkarbidpulver och -kristaller massproducerats för användning som slipmedel och för tillverkning av keramiska komponenter som används i bilbromsar och kopplingar eller till och med skottsäkra västar. Med sin täta kristallstruktur bestående av nanokristaller har kiselkarbid egenskaper som gör det både extremt hårt, mycket slitstarkt och värmebeständigt.

Dagens tillverkare av kiselkarbid för användning inom slipmedels- och metallindustrin använder Acheson-processen, där ren kvartssand blandad med finmald koks placeras i en elektrisk motståndsugn av tegel och strömförsörjs; elektriciteten leds genom denna motståndsugn. Kol från koks och kisel från sand reagerar kemiskt och bildar SiC i kärnan samt kolmonoxidgas på ytan. Denna process sker vanligtvis vid mycket höga temperaturer på mellan 1700 och 2500 °C. Denna process ger upphov till en fast, cylindrisk ingot med skikt som varierar från grafit på insidan, via grafenrikt högkvalitativt SiC och grovkristallin struktur till lägre kvaliteter som b-SiC för användning i metallbearbetningsprocesser, samt oreagerat material på utsidan som kan omsmältas vid behov. SiC kan bli antingen svart eller grönt beroende på vilka råmaterial som använts under bearbetningen.

IPS Ceramics erbjuder alla vanliga typer av kiselkarbid samt ett omfattande sortiment av ugnsinredning för bearbetning av detta enastående material. Vårt team av erfarna keramikexperter kan hjälpa er att välja vilken SiC-typ som bäst passar just er tillämpning, samtidigt som vi tillhandahåller de verktyg och maskiner som krävs för korrekt användning av slipmedel vid tillverkningen av önskade slutprodukter.

SiC anses i allmänhet vara inert, utan toxikologiska egenskaper och med låg akut toxicitet när det hanteras och bereds enligt standardrutiner, även om långvarig exponering kan orsaka mild hudirritation samt framkalla inhalationstuberkulos hos försöksdjur, vilket potentiellt kan leda till omfattande fibros och sjukdomsprogression. För mer information, se databladet om toxicitet hos människor för denna förening.

Hur tillverkas kiselkarbid?

Kiselkarbid, som oftast betecknas med sin kemiska symbol SiC, har många användningsområden som slipmedel, keramiskt material och halvledarmaterial. Som ett av de hårdaste materialen som finns, och tack vare sin styrka och hållbarhet – endast överträffat av diamant när det gäller draghållfasthet – uppvisar kiselkarbid överlägsen värme- och kemisk inertitet även vid höga temperaturer, vilket gör det till ett oumbärligt material i industriella eldfasta material.

Edward Acheson framställde för första gången kiselkarbid syntetiskt år 1891, då han upptäckte små svarta kristaller av ämnet i en elektriskt uppvärmd smälta av kol och aluminiumoxid, och uppkallade processen efter sig själv; idag är detta fortfarande den främsta metoden för tillverkning av kiselkarbid som används inom slipmedel, metallurgi och eldfast material samt för produktion av naturliga moissanitmineraler.

Idag tillverkas kiselkarbid genom innovativa processer för användning i olika specialtillämpningar. Reaktionsbundet SiC (CB) framställs genom att man blandar kisel- och kolpulver med mjukgörare och formar blandningen till ett föremål; därefter bränns överskottet av mjukgörare bort; slutligen sker en ytterligare reaktion med gasformigt eller flytande kisel för att bilda ytterligare SiC-partiklar. Reaktionsbundet SiC ger kostnadseffektiva, slitstarka beläggningar samt högkvalitativa smältdeglar som används för att smälta och hålla metall.

Andra varianter framställs genom kemisk ångdeposition och metoder för tillväxt av enkristaller av kiselkarbid. Detta innebär att kisel och kol odlas i vakuum eller vid hög temperatur till en kristallstam, på samma sätt som skivor tillverkas för halvledarkomponenter. När boulen är färdig kan den sedan dopas med kväve eller fosfor för att framställa en n-typ-halvledare, eller med beryllium, bor eller aluminium för att framställa p-typ-halvledare.

Kiselkarbid kan delas in i flera kategorier beroende på kornstorlek, bindemedlets sammansättning, renhetsgrad och densitet, partikelform eller sintringsmetod. Slipkvaliteter av kiselkarbid kan blandas med andra föreningar och malas till granulat för industriella eldfasta material; sådant granulat används sedan i cement, tegel och smältdeglar som ersättning för cement. Eldfast material skiljer sig åt beroende på hur exakt sammansättningen har blandats och dess förmåga att motstå höga temperaturer och kemisk påfrestning – varje tillämpning kräver sin egen kvalitetsbedömning!

Vilka är de viktigaste användningsområdena för kiselkarbid?

Kiselkarbid har många användningsområden; det är ett inert material med utmärkt värmeledningsförmåga, fungerar som elektrisk isolator och har en regnbågsliknande glans tack vare det passiveringsskikt av kiseldioxid som bildas på ytan. Dessutom har det utmärkt beständighet mot många organiska och oorganiska syror, baser och salter, med undantag för fluorvätesyra, som potentiellt kan orsaka korrosionsproblem.

SiC är ett attraktivt halvledarmaterial för användning inom kraftelektronik tack vare sitt breda bandgap och sina fördelar jämfört med kiselbaserade halvledare, såsom högre spänningstolerans, snabbare driftshastighet och minskade övergångsförluster. En enkristall av SiC kan avsättas i form av tetraeder, där de primära koordinations tetraederna består av fyra kolatomer och fyra kiselatomer som är bundna vid hörnen och staplade i polära strukturer; därefter kan dopämnen tillsättas för tillverkning av antingen n-typ- eller p-typ-halvledare (Mantooth Zetterling Rusu).

Ren kiselkarbid kan framställas genom Lely-processen, där SiC-pulver sublimeras till högtemperaturföreningar såsom kisel, kol, kiseldikarbid och disilikonkarbid vid 2500 °C i en argongasatmosfär. Kubiska kiselkarbidkristaller kan därefter odlas med hjälp av kemisk ångdeposition (CVD) med silan, väte och kväve som prekursorer för att producera enkristaller med en storlek på upp till 2 cm genom CVD-tillväxtprocesser såsom kemisk ångdeposition.

Kiselkarbids slitstyrka är en annan viktig egenskap. Tack vare denna egenskap används det ofta som slipmaterial vid bearbetning och slipning, liksom inom ädelstensbearbetning, bland annat för polering av fiberoptiska trådar inför skarvning. Dessutom används kiselkarbid ofta i smycken.

Eftersom kiselkarbid är ett av de två hårdaste materialen på jorden kan det vara extremt svårt att bearbeta kiselkarbidkomponenter med de precisa mått som krävs för sintrade kiselkarbidprodukter. Sintrad kiselkarbid måste genomgå en rad stränga tester och kontroller för att uppfylla vissa krav på mekaniska egenskaper; exponering genom inandning kan till och med leda till lungskador hos människor, däribland fibros.

Hur ser framtiden ut för kiselkarbid?

Kiselkarbid är ett av världens hårdaste material och måste skäras med diamantbestyckade blad för att kunna bearbetas. Trots denna svårighet har kiselkarbid potential att revolutionera branscher värda flera miljarder dollar; till exempel arbetar växelriktare och laddare för elfordon som innehåller kiselkarbid vid högre temperaturer än motsvarande kiselbaserade komponenter, samtidigt som deras omkopplare kan vara hälften så stora, vilket leder till minskad vikt, lägre kostnader, enklare konstruktion och längre batteriräckvidd jämfört med standardkomponenter av kisel.

I takt med att allt fler byter till elfordon (EV) kommer efterfrågan på kraftelektronik av kiselkarbid att öka exponentiellt. Denna snabba tillväxt drivs av stora, kostnadseffektiva skivor som tillverkas vid specialiserade anläggningar med hjälp av avancerad utrustning som möjliggör kristalltillväxt i vakuummiljöer; dessa skivor kan sedan användas vid tillverkningen av krafthalvledare och andra komponenter.

Effekthalvledare utgör den största delen av den globala marknaden för kiselkarbid och används inom en rad olika tillämpningar, från elfordon och vindkraftverk till smartphones och datorer. Dessutom har denna teknik på senare tid fått stor spridning inom olje- och gasindustrin som ett sätt att förbättra säkerheten och effektiviteten.

Tillverkarna investerar i produktionskapacitet för att möta den växande efterfrågan på kiselkarbidkomponenter, såsom de som erbjuds av SK Siltron i Bay City, Michigan, i syfte att tillgodose behovet av högkvalitativa SiC-skivor – en satsning som finansieras genom ett lån från energidepartementet (DOE).

Andra tillverkare möter den ökande efterfrågan genom att etablera sig på tillväxtmarknader. Kinas halvledarindustri för kiselkarbid och galliumnitrid växer snabbt tack vare en kraftig ökning av efterfrågan på effekt halvledare från elfordon (EV) och industriella tillämpningar.

Kiselkarbid har länge varit känt för sina eldfasta och slipande egenskaper samt sin förmåga att fungera under tuffa förhållanden, vilket gör det idealiskt för robotteknik, tillverkningsanläggningar, motordrivningar samt skärverktyg och slipskivor som kräver styrka och slitstyrka. Industriella tillämpningar utgör idag en av de största marknaderna för kiselkarbid.