Definicija silicij-karbida

Karbid silicija (SiC) je tvrdo, sintetički proizvedeno kristalno jedinjenje koje se široko koristi kao abrazivni i otporni materijal na habanje, u primjenama u vatrostalnim materijalima i keramici, kao i kao poluprovodni podloga za diode koje emituju svjetlost (LED).

EFM poluvodiči su također nadmašili tradicionalne silicijske poluvodiče u visokonaponskim okruženjima poput onih u elektronskim uređajima električnih vozila (EV), pružajući vrhunske performanse smanjenjem gubitaka napona i struje, kao i smanjenjem veličine i težine ključnih komponenti za upravljanje baterijom.

Silikonski karbid

Silikon-karbid je inertni keramički spoj sastavljen od silicija i ugljika. Sa Mohsovom tvrdoćom od 9, treći je po tvrdoći, odmah iza bor-karbida (9,5) i dijamanta (10). Silikon-karbid ima visoku mehaničku izdržljivost, a istovremeno je hemijski inertan, što ga čini savršenim za primjene u zaštiti tvrdih površina, poput zaštite mašinskih alata.

Čiste karbonske nanocijevi sadrže četiri atoma ugljika raspoređena u četiri karbonska tetraedra, kovalentno povezana silicijskim vezama. Ovaj raspored omogućava polimorfizam s različitim kristalnim strukturama i fazama.

Kristalna struktura SiC-a rezultira njegovim superiornim električnim svojstvima, uključujući karakteristike širokopojasnog poluvodiča (WBG) neophodne za elektroničke primjene. Veći energetski jaz omogućava elektronima da brže napuste orbitale, što dovodi do viših frekvencija i bržeg rada u odnosu na konvencionalne silicijske uređaje.

Kao osnovni materijal, silicij se može dopirati dušikom, fosforom, galijem, borom i aluminijem kako bi se proizveli n-tip poluvodiči. Nadalje, tranzistori bez silicija mogu smanjiti troškove i potrošnju energije za čak 40%.

Silikon-karbid (SiC) može raditi do 300 °C, što ga čini izvrsnim materijalom za primjene u visokotemperaturnim okruženjima poput motora električnih vozila. SiC može eliminirati potrebu za aktivnim sistemima hlađenja koji dodaju težinu, troškove i složenost – što se prevodi u veći domet i brže vrijeme punjenja ovih vozila.

Poluprovodnik

Silikon-karbid je odavno prepoznat po svojim jedinstvenim električnim svojstvima koja ga čine izuzetno korisnim u elektronici. Poluvodiči, koji se izmjenjuju u ponašanju između provodnika (poput bakrenih električnih ožičenja) i izolatora (polimerna izolacija koja obavija ta ožičenja), čine poluvodične materijale koji se koriste za izradu integrisanih sklopova i diskretnih elektroničkih komponenti poput dioda i tranzistora, koji provode električnu energiju pod određenim uslovima; njihova provodnost se može čak mijenjati stimulacijom električnim strujama, elektromagnetnim poljima ili svjetlosnom stimulacijom.

Silikon karbid se izdvaja od tradicionalnih poluvodiča po izuzetno širokom energetskom razmaku. To znači da je potrebno mnogo više energije da se elektroni premjeste iz valentne u vodljivu bandu; posljedično, silikon karbid se odlikuje vrlo niskim gubicima snage – neprocjenjivom osobinom pri primjeni u visokonaponskim aplikacijama, poput trakcijskih invertera električnih vozila.

Silikon-karbid se dugo koristi u industriji i akademskoj zajednici za razne namjene, od pijeska za pjeskarenje i karborundumskih alata za tisak do primjena u termalnom, električnom i mehaničkom inženjerstvu. Međutim, nedavno je potražnja naglo porasla zbog niske stope toplinske ekspanzije, visokog omjera čvrstoće i tvrdoće te sposobnosti da izdrži agresivna okruženja.

Keramički

Silicij i ugljik se kombinuju da bi proizveli privlačan materijal s izvrsnim mehaničkim, hemijskim i toplotnim svojstvima. Odlikuje ga izuzetna tvrdoća – čak dvostruko veća od dijamanta na Mohsovoj skali – kao i superiorna otpornost na toplotni šok u odnosu na druge refraktivne materijale.

Keramika označava anorganski, nemetalni materijal koji je izuzetno fleksibilan prije pečenja, ali se značajno stvrdne tokom procesa pečenja. Keramika obuhvata različite kategorije; na primjer:

Keramika se primarno koristi kao refrakterni materijali, neorganski materijali koji pružaju otpornost na toplotno i hemijsko habanje i koroziju. Keramika dolazi u svim vrstama oblika i boja i koristi se u raznim industrijama. Važne primjene biokeramike uključuju zaštitu od požara, superprovodnike i izazivanje bioloških odgovora iz ćelija. Bioaktivna keramika može biti ili intrinzično bioaktivna, ili se takvom može učiniti putem površinskih tretmana ili punjenjem keramičkih pora farmaceutski aktivnim supstancama. Karbid silicija se široko koristi za automobilsku kočionu ploču koja značajno smanjuje trenje i emisije, a istovremeno podnosi visoke temperature bez potrebe za aktivnim sistemima hlađenja koji dodaju težinu, složenost i troškove. Nadalje, njegova upotreba čini osnovu mnogih abraziva i reznog alata.

Automobilski

Karbid silicija (SiC) je izuzetno tvrd materijal, rangiran na devetom mjestu na Mohsovoj skali, između alumine (9) i dijamanta (10). Karbid silicija je prvi put umjetno sintetizirao američki izumitelj Edward Acheson 1891. godine, kada je pokušavao proizvesti umjetne dijamante, ali je umjesto toga u svom električno zagrijanom rastopu ugljika i alumine otkrio male crne kristale SiC-a, koji su potom bili usitnjeni u prah za industrijska abraziva. Nobelovac, kemičar Henri Moissan, 1905. godine je prirodno uočio spoj kao prozirni mineral nazvan moissanit.

Jedinstvena atomska struktura i poluvodička svojstva karbida silicija čine ga idealnim za elektroničke primjene poput dioda, tranzistora i snage uređaja. Ima deset puta veću otpornost na napon od tradicionalnog silicija i postiže još bolje rezultate u sistemima s naponom višim od 1000 V, što ga čini idealnim materijalom za ispunjavanje zahtjeva visokog napona povezanih s punionicama električnih vozila (EV) i sistemima za upravljanje energijom.

SiC može značajno poboljšati efikasnost prebacivanja, a istovremeno pomoći u smanjenju veličine i težine ključnih komponenti električnih vozila, kao što su DC-DC pretvarači, ugrađeni punjači i sistemi za upravljanje baterijama. Ovi napretci mogli bi približiti vožnju bez emisija masovnoj primjeni. Analiza GlobalData identificira više od 10 kompanija – od dobavljača tehnologije i etabliranih automobilskih kompanija do novih startupa – koje koriste silicij-karbid za inovativna rješenja.