Визначення карбіду кремнію

Карбід кремнію, який частіше називають за абревіатурою SiC, — це абразивний матеріал, що складається з кремнію та вуглецю і який промислово виробляється з кінця XIX століття для використання як абразив. Крім того, природні поклади SiC містяться у мінеральних утвореннях муассаніту.

Керамічні глазурі містять порошки цієї речовини, які під час випалу в керамічній печі утворюють скляні бульбашки, що надають виробам візуальної привабливості та цікавої фактури.

Абразивний

Карбід кремнію — це надзвичайно тверда речовина, яка використовується як абразивний матеріал під час шліфування матеріалів; за шкалою Мооса її твердість наближається до твердості алмазу. Крім того, цей керамічний матеріал входить до складу шліфувальних кругів та різальних інструментів, а також застосовується у таких виробах, як наждачна тканина, наждачний папір та підошви взуття, вогнетривкі цеглини для печей кольорової металургії та печей керамічної промисловості, а також як вогнетривкі цеглини в печах кольорової металургії, що застосовуються у високотемпературних умовах, наприклад, у вигляді керамічних пластин у куленепробивних жилетах.

Абразивні властивості карбіду кремнію зумовлені його шаруватою кристалічною структурою. Кожен атом вуглецю утворює зв’язки з чотирма атомами кремнію в октаедричній конфігурації, що забезпечує міцність зв’язків — завдяки цьому матеріал є одним із небагатьох синтетичних речовин, що володіють такими властивостями, які роблять його надзвичайно ефективним у промислових застосуваннях.

Дзеркала з карбіду кремнію є ідеальним матеріалом для використання в астрономічних телескопах завдяки своїй жорсткості, низькому тепловому розширенню та міцності. Як космічний телескоп «Гершель», так і космічний телескоп «Гая» використовують дзеркала з карбіду кремнію для відбиття світла. Хімічне осадження з парової фази є ефективним методом отримання цих матеріалів, оскільки кремній і вуглець утворюють полікристалічну плівку на скляних підкладках.

Напівпровідниковий

Напівпровідники з карбіду кремнію досягли значних успіхів в автомобільній промисловості завдяки своїй здатності витримувати високі напруги. Це можна пояснити їхньою широкою забороненою зоною, яка дозволяє електронам легше проникати крізь неї, ніж у стандартних кремнієвих напівпровідниках.

Унікальні властивості карбіду кремнію роблять його придатним для різних застосувань у електротехніці, зокрема у сфері виробництва електроенергії. Завдяки цьому карбід кремнію набуває дедалі більшої популярності у виробництві електромобілів, де він дозволяє створювати більш ефективну та потужну силову електроніку, здатну витримувати вищі напруги, ніж її кремнієві аналоги.

Карбід кремнію не зустрічається в природі (за винятком рідкісного мінералу під назвою муассаніт), проте вже понад 100 років його масово виробляють у вигляді порошку, і зараз він застосовується, зокрема, у шліфувальних кругах, абразивах та куленепробивних жилетах. До його видатних властивостей належать висока твердість (9 за шкалою Мооса), хімічна інертність, теплопровідність та стійкість до стирання — якості, завдяки яким карбід кремнію користується великим попитом серед виробників цієї техніки.

Карбід кремнію утворюється у вигляді двох основних координаційних тетраедрів, що складаються з чотирьох атомів кремнію та чотирьох атомів вуглецю, з’єднаних ковалентними зв’язками; такі структури називаються координаційними тетраедрами. Змінюючи розташування атомів для отримання різних політипів, можна створювати різні кристалічні структури. Додаючи домішки, такі як тривалентні або п’тивалентні речовини, інженери можуть змінювати електричні властивості для різних застосувань — до популярних домішок для карбіду кремнію належать бор, фосфор та миш’як.

Термостійкий

Твердість і зносостійкість карбіду кремнію дозволяють йому витримувати як високі температури, так і зношування, що робить його ключовим матеріалом для футерок промислових печей, деталей ракетних двигунів, зносостійких інструментів, таких як шліфувальні круги та леза інструментів, кераміки, а також, після легування азотом, фосфором, алюмінієм або галієм, — напівпровідників, що використовуються в електроніці, наприклад, світлодіодів (LED).

Карбід кремнію зустрічається в природі у вигляді мінералу моїсаніту. Вперше його було виявлено в 1893 році в метеоритній воронці Каньйон-Діабло в Арізоні; за своєю структурою він нагадує алмази — власне, прикраси з моїсаніту вже давно продаються як альтернатива алмазам.

Карбід кремнію вже давно відомий своїм застосуванням у мистецтві та ремеслах завдяки своїм абразивним властивостям. Його використовують для шліфування дерева, металів та каменю з метою отримання гладких поверхонь для фарбування або лакування; крім того, він є невід’ємним матеріалом у сучасному каменерізьництві, де застосовується в численних техніках — від травлення скла до різьблення по каменю.

Компанія Elkem SiC пропонує карбід кремнію StarCeram S — промислову кераміку, яку можна формувати у різні форми та розміри для конкретних застосувань, з тонкою обробкою поверхні для подальшого полірування. Наш завод у Льєжі (Бельгія) оснащений сучасним обладнанням, що дозволяє виготовляти вироби з SiC відповідно до точних технічних вимог.

Електричний провідник

Карбід кремнію (SiC), який зазвичай називають карборундом, у природі зустрічається у вигляді мінералу муассаніту, а з 1893 року масово виробляється у вигляді порошку для використання в абразивних матеріалах, таких як шліфувальні круги. З 1893 року його також масово спікають для отримання надзвичайно твердої кераміки, яка використовується в сферах, що вимагають високої зносостійкості, таких як автомобільні гальма, зчеплення та керамічні пластини для куленепробивних жилетів, у яких вбудовані пластини з SiC з кремнієм із широкою забороненою зоною. Завдяки широкій забороненій зоні SiC перевершує кремній у цих аспектах.

Ширина забороненої зони — це кількість енергії, необхідна електронам для переходу між валентною та провідною зонами в атомі, що забезпечує швидший та ефективніший рух електронів — це важливі характеристики для напівпровідникових пристроїв, що працюють на високих швидкостях та/або напругах. Більша ширина забороненої зони дозволяє електронам швидше переміщатися між цими зонами.

SiC має ширшу заборонену зону порівняно з традиційним напівпровідниковим кремнієм, що робить його ідеальним матеріалом для силової електроніки, такої як інвертори тягового приводу в електромобілях. Перевага SiC у вигляді вищої теплопровідності порівняно з кремнієм ще більше підсилює цю перевагу та забезпечує більш ефективну роботу силової електроніки без необхідності використання активних систем охолодження, які збільшують вагу та вартість електромобілів.