Definició de carbur de silici

El carbur de silici (SiC) és un compost cristal·lí dur, produït sintèticament, àmpliament utilitzat com a material abrasiu i resistent al desgast, en aplicacions de refractaris i ceràmiques, així com substrat semiconductor per a diodes emissors de llum (LED).

Els semiconductors EFM també van superar els semiconductors de silici tradicionals en entorns d'alt voltatge com els que es troben als dispositius d'alimentació dels vehicles elèctrics (VE), proporcionant un rendiment superior en minimitzar les pèrdues de tensió i corrent, així com en reduir la mida i el pes dels components essencials de gestió de la bateria.

Carbur de silici

El carbur de silici és un compost ceràmic inert format per silici i carboni. Amb una duresa de 9 en l'escala de Mohs, ocupa el tercer lloc només per darrere del carbur de bor (9,5) i del diamant (10). El carbur de silici té una alta durabilitat mecànica tot i romandre inert químicament, cosa que el fa perfecte per a aplicacions de protecció de superfícies dures com les eines de màquina.

Els nanotubs de carboni pur contenen quatre àtoms de carboni disposats en quatre tetraedres de carboni, units covalentment per enllaços de silici. Aquesta disposició permet el polimorfisme amb diverses estructures cristal·lines i fases.

L'estructura cristal·lina del SiC determina les seves propietats elèctriques superiors, incloent-hi les característiques de semiconductor de banda ampla (WBG) essencials per a les aplicacions electròniques. Una banda prohibida més àmplia permet als electrons abandonar l'òrbita més ràpidament, cosa que comporta freqüències més altes i operacions més ràpides que amb dispositius de silici convencionals.

Com a material base, el silici es pot dopar amb nitrogen, fòsfor, galli, bor i alumini per produir semiconductors de tipus n. A més, els transistors sense silici poden reduir el cost i el consum d'energia fins a un 40%.

El carbur de silici (SiC) pot funcionar fins a 300 °C, cosa que el converteix en una excel·lent opció de material per a aplicacions en entorns d'alta temperatura, com els motors de vehicles elèctrics. El SiC pot eliminar la necessitat de sistemes de refrigeració actius que afegeixen pes, cost i complexitat, cosa que es tradueix en una autonomia més gran i temps de càrrega més ràpids per a aquests vehicles.

Semiconductor

El carbur de silici ha estat reconegut des de fa temps per les seves propietats elèctriques úniques que el fan molt útil en l'electrònica. Els semiconductors, que alternen entre comportar-se com a conductors (com els cables elèctrics de coure) i com a aïllants (com el recobriment d'aïllament de polímer que cobreix aquests cables), formen els materials semiconductors utilitzats per construir circuits integrats i components electrònics discrets com diodes i transistors, que condueixen l'electricitat sota certes condicions; la seva conductivitat fins i tot es pot modificar mitjançant estimulació amb corrents elèctrics, camps electromagnètics o estimulació lumínica.

El carbur de silici destaca dels semiconductors tradicionals per tenir una banda prohibida extremadament ampla. Això significa que cal molta més energia per moure els electrons de la banda de valència a la banda de conducció; en conseqüència, el carbur de silici presenta pèrdues de potència molt baixes, una qualitat inavaluable quan s'utilitza en aplicacions d'alta tensió, com els inversors de tracció de vehicles elèctrics.

El carbur de silici s'ha utilitzat des de fa temps en diversos àmbits de la indústria i de l'acadèmia, des de granalls de granallat i eines de calcografia de carborundum fins a aplicacions en enginyeria tèrmica, elèctrica i mecànica. Recentment, però, la demanda s'ha disparat a causa de la seva baixa expansió tèrmica, de l'elevat ràtio resistència-duresa i de la seva capacitat per resistir entorns hostils.

Ceràmica

El silici i el carboni es combinen per produir un material atractiu amb excel·lents propietats mecàniques, químiques i tèrmiques. Presumeix d'una duresa extrema – fins a dues vegades la del diamant a l'escala de Mohs – així com d'una resistència superior als xocs tèrmiques en comparació amb altres materials refractaris.

Ceràmica fa referència a un material inorgànic, no metàl·lic que és extremadament flexible quan no està cuit però s'endureix significativament durant els processos de cocció. Les ceràmiques abasten diverses categories; per exemple:

Les ceràmiques s'utilitzen principalment com a refractaris, materials inorgànics que proporcionen resistència a l'abrasió tèrmica i química i a la corrosió. Les ceràmiques existeixen en tota mena de formes i colors i s'utilitzen en molts sectors. Alguns usos importants de les bioceràmiques inclouen la protecció contra incendis, els superconductors i la inducció de respostes biològiques en les cèl·lules. Les ceràmiques bioactives poden ser intrínsecament bioactives o es poden fer així mitjançant tractaments de superfície o omplint els porus de la ceràmica amb substàncies farmacològicament actives. El carbur de silici s'utilitza àmpliament per als discs de fre dels automòbils, que redueixen significativament la fricció i les emissions mentre resisteixen altes temperatures sense necessitat de sistemes de refrigeració actius que afegeixen pes, complexitat i cost. A més, el seu ús forma la base de molts abrasius i eines de tall.

Automoció

El carbur de silici (SiC) és un material extremadament resistent, classificat en novè lloc a l'escala de Mohs, entre l'alúmina (9) i el diamant (10). El carbur de silici va ser sintetitzat artificialment per primera vegada per l'inventor americà Edward Acheson l'any 1891 quan intentava fabricar diamants artificials, però en canvi va descobrir petits cristalls negres de SiC en el seu fusió de carboni i alumina escalfada elèctricament, que es van mòler fins a obtenir un pols per a abrasius industrials. El químic guardonat amb el Premi Nobel Henri Moissan va observar el compost de manera natural com a mineral transparent anomenat moissanita l'any 1905.

L'estructura atòmica única i les propietats semiconductores del carbur de silici el fan ideal per a aplicacions electròniques com ara díodes, transistors i dispositius de potència. Té una resistència al voltatge deu vegades superior a la del silici tradicional i funciona encara millor en sistemes que superen els 1000 V, cosa que el converteix en el material ideal per satisfer les altes demandes de voltatge associades a les estacions de càrrega de vehicles elèctrics (VE) i als sistemes de gestió energètica.

El SiC pot millorar significativament l'eficiència de commutació i, alhora, ajudar a reduir la mida i el pes de components essencials dels vehicles elèctrics, com ara convertidors CC-CC, carregadors integrats i sistemes de gestió de bateries. Aquests avenços podrien acostar la conducció sense emissions a l'adopció massiva. L'anàlisi de GlobalData identifica més de deu empreses — des de proveïdors de tecnologia i companyies automobilístiques consolidades fins a start-ups emergents — que utilitzen carboni de silici per a solucions innovadores.