Silisyum Karbür Kullanım Alanları

Genellikle karborundum /karb@rndu/ olarak anılan silikon karbür, silikon ve karbondan oluşan son derece sert, sentetik bir kristal bileşiktir ve uzun süredir refrakterler ve seramikler, aşınmaya dayanıklı parça üretimi, ışık yayan diyot (LED) substrat üretimi ve yarı iletken substrat gibi çeşitli alanlarda aşındırıcı ve aşınmaya dayanıklı malzeme olarak uzun süredir kullanılmaktadır. 19. yüzyılın sonlarından beri ışık yayan diyotlarda (LED) yarı iletken substrat olarak da kullanılmaktadır.

Yüksek sıcaklık ve gerilimlerde çalışan güç elektroniği cihazları da güvenilir bir şekilde çalışabilmek için bu malzemeye güvenmektedir.

Yüksek performanslı fren diskleri

1891 yılından beri genellikle karborundum olarak anılan silikon karbür (SiC), keşfedilip seri üretime geçmesinden bu yana yaygın olarak üretilmeye başlanmıştır. Öncelikle otomobil frenleri ve debriyajlar gibi aşırı dayanıklılık gerektiren uygulamalarda kullanılan bu bileşikten üretilen seramik plakalar içeren kurşun geçirmez yelek plakaları, Mohs sertlik ölçeğinde 9. sırada yer alır; bu da doğal maddeler arasında elmastan sonra ikinci sırada yer alması anlamına gelir.

SiC’nin işlenmesi ve imalatı nispeten kolaydır; bu da onu fren diskleri gibi yüksek sıcaklıklarla temas edecek bileşenler için popüler bir seçenek haline getirir. Sürtünme yüzeyleri çeliği eritecek veya diğer malzemelere zarar verecek sıcaklıklara ulaşabileceğinden, birçok fren sisteminde, sürtünme yüzeyi ısındığında oluşan gazları tahliye etmek üzere tasarlanmış, çok sayıda delik veya yarık içeren havalandırmalı diskler kullanılır.

SiC, aşındırıcılar, metalurji ve refrakter endüstrilerinde kullanılmak üzere çeşitli üreticiler tarafından üretilmektedir. Edward Acheson, 1891 yılında bu malzemeyi üretmek için verimli bir yöntemin öncülüğünü yapmıştır: saf silika kumu ile öğütülmüş kok kömürü karbonunu elektrikle ısıtılan bir fırına koyup içinden elektrik akımı geçirmek, kimyasal reaksiyonlara neden olur ve bu reaksiyonlar sonucunda oluşan küçük SiC kristalleri, ticari kullanım için toz haline getirilir.

Kurşun geçirmez zırh

Silikon Karbür (SiC), silikon ve karbondan oluşan, sentetik olarak üretilmiş ultra sert bir kristal bileşiktir; Mohs sertlik ölçeğinde sertlik açısından yalnızca Bor Karbür ve Elmas’tan sonra gelir. 19. yüzyılın sonlarından beri, sertliği ve diğer arzu edilen özellikleri nedeniyle taşlama diskleri, kesici aletler ve zımpara kağıdı gibi aşınmaya dayanıklı bileşenlerde kullanılmaktadır. Ayrıca, refrakter malzemelerin, seramiklerin ve hatta ışık yayan diyotlar (LED) için yarı iletken alt tabakaların bir parçası olarak da bulunabilir.

Edward Acheson, 1891 civarında karbon ve alümina karışımlarını ısıtma işlemi sırasında küçük siyah kristallerin varlığını beklenmedik bir şekilde keşfettiğinde, ilk kez yapay olarak moissanit üretti; bu keşif, onu Acheson yöntemini geliştirmeye ve ticari üretime yönlendirdi. Moissanitin doğal hali ise yalnızca göktaşlarında veya belirli refrakter malzemelerde bulunabilir.

SiC, kovalent bağlarla birbirine bağlanmış sıkı paketlenmiş katmanlardan oluşur. Bu katmanların her biri, SiC’nin farklı polotiplerini oluşturmak üzere çeşitli düzenlemelerde sıralanmış dört silikon ve dört karbon atomundan oluşan iki ana koordinasyon tetrahedri içerir; bu yapılar, birbirinden önemli ölçüde farklı fiziksel özelliklere sahip olmakla birlikte olağanüstü bir sertlik sunar.

SiC, mukavemet, sertlik, ısı iletkenliği ve düşük ısıl genleşme özelliklerinin birleşimi sayesinde, pompa yatakları, vanalar, kum püskürtme enjektörleri, yüksek hızdaki şaft sızdırmazlık uygulamaları ve büyük astronomik teleskoplardaki aynalar dahil olmak üzere, aşırı yüklere ve aşırı sıcaklıklara maruz kalan bileşenler için ideal bir malzemedir. Bu özellikleri sayesinde, pompa yatakları, vanalar, kum püskürtme enjektörleri ve yüksek hızlarda şaft sızdırmazlığı gibi bu özelliklere sahip bileşenler gerektiren mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılır.

Yarı iletken malzemeler

Güç elektroniği alanındaki artan talep nedeniyle silikon karbürün popülaritesi olağanüstü bir artış göstermiştir. Fiziksel ve elektronik özelliklerinin birleşimi, bu malzemeyi daha yüksek kırılma elektrik alanları, daha düşük anahtarlama kayıpları ve daha yüksek enerji verimliliği elde etmek için ideal hale getirmektedir.

Silikon karbür, normalde bir yalıtkan olmasına rağmen, belirli safsızlıklarla katkılanarak yarı iletkene dönüştürülebilir. Alüminyum, bor, galyum veya azot katkı maddeleriyle katkılanmış halde (P tipi yarı iletken), silikon karbür N tipi yarı iletken gibi davranır; fosfor katkı maddeleriyle katkılanmış halde ise N tipi yarı iletken gibi davranır. Katkı maddeleri, şerit yapısı açısından elektron hareketliliğini etkiler – elektronlar iletim şeritleri boyunca hareket ederken, delikler ise değerlik şeritleri boyunca hareket eder.

SiC, olağanüstü geniş bir bant aralığına sahip olmasıyla bilinir; bu özellik, geleneksel silikona kıyasla çok daha yüksek kırılma elektrik alanlarına ulaşmasını sağlar. Bu durum, anahtarlama kayıplarının azalmasına ve daha az bileşen kullanılmasına yol açarak enerji verimliliğini artırır; bu özellik, daha yüksek gerilimlere ve sıcaklıklara dayanması gereken elektrikli araç güç dönüştürme sistemlerinde özellikle değerlidir.

Silisyum karbür, karbon fiber takviyeli silisyum karbür (CFRC) gibi kompozit malzemelerde de kullanılabilir; bu sayede, frenleme sırasında maruz kalınan aşırı sıcaklık ve gerilmelere dayanabilen, sağlam ancak hafif yapılar üretilebilir. Ayrıca, silikon karbür, yüksek hızlı darbelere dayanabildiği için Chobham zırhı gibi kurşun geçirmez zırhların bir bileşeni olarak da kullanılır.

Enerji depolama

Genellikle karborundum olarak bilinen silikon karbür (SiC), tüm doğal malzemeler arasında en yüksek çekme mukavemetine sahip, son derece sağlam ve keskin bir malzemedir. 4 silikon ve 4 karbon atomunun sıkı bir şekilde paketlenmiş kovalent bağları halinde kristalleşen SiC, inorganik asitlere, tuzlara ve alkalilere karşı son derece dirençlidir ve aynı zamanda günümüzde mevcut en yüksek çekme mukavemetlerinden birine sahiptir.

Doğada nadir bir mineral olan moissanit, 1907 yılından bu yana toz halinde seri olarak üretilmekte ve taşlama diskleri, aşındırıcılar, araba frenleri ve debriyajlar gibi sert seramik uygulamalarının yanı sıra kurşun geçirmez yeleklerdeki seramik plakalar gibi çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. 1907 yılından bu yana, ışık yayan diyotlar (LED) ve dedektörler gibi elektronik uygulamalarda da kullanılmaktadır.

Saf SiC, bir elektrik yalıtkanıdır. Bununla birlikte, azot ve fosfor gibi katkı maddeleri eklenerek (katkı maddeleri, malzeme özelliklerini değiştirmek için kullanılır), bu katkı maddeleri SiC’nin yarı iletken gibi davranmasını sağlar ve güç elektroniği cihazlarının, gücü verimli bir şekilde üretmek veya tüketmek amacıyla iletken ve iletken olmayan durumlar arasında verimli bir şekilde geçiş yapmasına yardımcı olur.

SiC yarı iletkenler, voltaj ve akım kayıpları, termal verimlilik ve boyut/ağırlık azaltımı açısından geleneksel silikon yarı iletkenlere kıyasla önemli iyileştirmeler sunar. Bu nedenle SiC, elektrikli araçlarda bulunan invertörlerde ve DC/DC dönüştürücülerde ideal bir çözüm sunar; temel güç elektroniği bileşenlerinin boyut ve ağırlığını azaltarak DC hızlı şarjı kolaylaştırır. Hatta normal yarı iletkenlere göre daha yüksek sıcaklık ve frekanslarda çalışabilir!