Kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är ett exceptionellt material med enastående fysikaliska egenskaper. Det är motståndskraftigt mot höga temperaturer, korrosion och slitage samtidigt som det har låg värmeutvidgning.

Moissanite förekommer naturligt i mycket begränsade mängder som mineral, och har sedan dess massproducerats via Edward G. Achesons elektriska satsugnsprocess som fortsätter än idag.

Egenskaper

Kiselkarbid erbjuder exceptionell kemisk och mekanisk styrka över ett brett temperaturspektrum och motstår korrosion och nötning med sin höga elasticitetsmodul och låga värmeutvidgningskoefficient. Dessutom uppvisar kiselkarbid god motståndskraft mot termisk chock, dock mindre än strukturell keramisk zirkonia.

SiC är i allmänhet en elektrisk isolator, men med kontrollerad tillsats av föroreningar kan den bli elektriskt ledande. När det dopas med aluminium, bor eller gallium blir det en halvledare av P-typ medan kväve- eller fosfordopning ger upphov till halvledaregenskaper av N-typ.

Ren industriell SiC är brun till svart till färgen på grund av järnföroreningar. Som ett halvledarmaterial av polytyp varierar dess kristallstrukturer med avseende på hur kol- och kiselatomer staplas i tetraeder; detta gör att det kan bete sig antingen som en isolator eller ledare vid konstanta temperaturer; dessutom förblir det olösligt i både vatten och alkohol men resistent mot de flesta organiska syror, alkalier och salter.

Tillämpningar

Kiselkarbidkeramer har tillämpningar inom många områden: från slip- och skärverktyg, strukturmaterial (skottsäkra västar och kompositpansar), bildelar som bromsskivor och åskledare till hög korrosions- och nötningsbeständighet i miljöer som petrokemiska produktionsanläggningar eller system för avsvavling av rökgaser.

SiC-enheter drar nytta av halvledaregenskaperna med brett bandgap för att leda vid högre spänningar, vilket ger mer kompakta kraftomvandlingssystem med minskad energiförlust och kortare omvandlingstider. Dessutom överträffar SiC-enheterna kiselmotsvarigheterna när det gäller switchström och temperaturprestanda jämfört med kiselmotsvarigheterna, vilket ger betydande effektivitetsvinster för slutprodukterna.

Kiselkarbid (SiC) håller snabbt på att revolutionera kraftelektroniken tack vare sin unika kombination av fysikaliska och elektroniska egenskaper. MOSFETs och Schottky-dioder tillverkade av SiC är krafthalvledarteknologier som används i stor utsträckning och utgör nyckelkomponenter i elbilars traktionsomvandlare och ombordladdare samt DC/DC-omvandlare som finns vid laddningsstationer - detta innebär förbättrad räckvidd för batterierna i elbilar och ökad effektivitet för industriella applikationer.

Tillverkning

Kiselkarbid kan tillverkas till en mängd olika material för olika användningsområden. Mekanikingenjörer förlitar sig på den som en avancerad keramik för dess styrka, hårdhet, korrosions- och slitstyrka, liksom elektroingenjörer som använder dess exceptionella elektriska egenskaper som halvledare. Dessutom utgör kiselkarbid en integrerad del av kompositpansar som Chobham-pansar eller keramiska plattor som finns i skottsäkra västar.

Edward Goodrich Acheson syntetiserade för första gången SiC på konstgjord väg 1891 när han försökte producera syntetiska diamanter. Han skapade hårda, blåsvarta kristaller som han döpte till karborundum eftersom de felaktigt uppfattades som korundliknande föreningar, men hans metod har sedan dess blivit grunden för den mesta SiC-produktionen idag.

Renheten hos kristaller som produceras i en Acheson-ugn varierar med avståndet från en värmekälla med grafitmotstånd; de som är närmast värmekällan tenderar att vara klara medan de som är längre bort tenderar att bli mörkare med kväve- eller aluminiumdopning, vilket minskar ledningsförmågan. Stora enkristaller produceras kommersiellt genom modifierade Lely-processer eller fysisk ångtransport.

Säkerhet

Kiselkarbiddamm kan vara ett irriterande besvär som kan bidra till icke-progressiv lungfibros och orsaka irritation i näsa och ögon. Långvarig exponering kan till och med leda till pneumokonios - ett kroniskt lungtillstånd med symtom som avvikelser på röntgenbilder av bröstkorgen och nedsatt lungfunktion; dessutom ökar risken för tuberkulos.

På grund av sin överlägsna hårdhet och styvhet ger kolfiberpansar ballistiskt skydd med mycket lägre produktvikt än traditionella stållösningar.

I kärntekniska tillämpningar används SiC-plätering på grund av dess enastående bestrålningsprestanda, som överträffar Zry-4 vid Tresca-spänningsnivåer på primär Tresca-spänning och därutöver, samtidigt som en acceptabel avstängningsmarginal bibehålls. Dessutom har den ett lägre neutronabsorptionstvärsnitt; både SS-310 och FeCrAl-beläggningar uppvisar marginellt mer negativa MTC-värden vid BOL än SiC; detta minskar dock avsevärt efter 5 s LBLOCA på grund av Doppler-breddning av fertila neutroner.