Siliciumcarbide Definitie

Siliciumcarbide (SiC) is een harde, synthetisch geproduceerde kristallijne verbinding die veel wordt gebruikt als schuurmiddel en slijtvast materiaal, in vuurvaste materialen en keramiektoepassingen, en als halfgeleidersubstraat voor lichtgevende diodes (LED).

EFM-halfgeleiders overtroffen ook de traditionele siliciumhalfgeleiders in hoogspanningsomgevingen zoals die worden aangetroffen in voedingsapparaten voor elektrische voertuigen (EV). Ze leveren superieure prestaties door spannings- en stroomverliezen te minimaliseren en door essentiële batterijbeheercomponenten te verkleinen en lichter te maken, terwijl de afmetingen en het gewicht afnemen.

Siliciumcarbide

Siliciumcarbide is een inerte keramische verbinding die bestaat uit silicium en koolstof. Met een Mohs-hardheid van 9 staat het op de derde plaats, na boorcarbide (9,5) en diamant (10). Siliciumcarbide heeft een hoge mechanische duurzaamheid terwijl het chemisch inert blijft, waardoor het perfect is voor beschermingstoepassingen van harde oppervlakken zoals werktuigmachines.

Zuivere koolstofnanobuizen bevatten vier koolstofatomen die in vier tetraëders zijn gerangschikt, covalent aan elkaar gebonden door siliciumverbindingen. Deze ordening zorgt voor polymorfisme met verschillende kristalstructuren en fasen.

De kristallijne structuur van SiC resulteert in superieure elektrische eigenschappen, waaronder de eigenschappen van een brede bandkloofhalfgeleider (WBG) die essentieel zijn voor elektronische toepassingen. Door een grotere bandkloof kunnen elektronen hun baan sneller verlaten, wat leidt tot hogere frequenties en snellere bewerkingen dan bij conventionele siliciumapparaten.

Als basismateriaal kan silicium gedoteerd worden met stikstof, fosfor, gallium, boor en aluminium om n-type halfgeleiders te produceren. Bovendien kunnen siliciumvrije transistors de kosten en het stroomverbruik met wel 40% verlagen.

Siliciumcarbide (SiC) kan werken tot 300°C, waardoor het een uitstekende materiaalkeuze is voor toepassingen in omgevingen met hoge temperaturen, zoals motoren voor elektrische voertuigen. SiC kan actieve koelsystemen overbodig maken die gewicht, kosten en complexiteit toevoegen - wat zich vertaalt in een groter bereik en snellere oplaadtijden voor deze voertuigen.

Halfgeleider

Siliciumcarbide staat al lang bekend om zijn unieke elektrische eigenschappen die het zeer nuttig maken in de elektronica. Halfgeleiders, die zich afwisselend gedragen als geleiders (zoals koperen elektrische bedrading) en isolatoren (polymeerisolatie die deze draden bedekt), vormen halfgeleidermaterialen die worden gebruikt om geïntegreerde circuits te bouwen, discrete elektronische componenten zoals diodes en transistors, die onder bepaalde omstandigheden elektriciteit geleiden; hun geleidbaarheid kan zelfs worden veranderd door stimulatie via elektrische stromen, elektromagnetische velden of lichtstimulatie.

Siliciumcarbide onderscheidt zich van traditionele halfgeleiders door zijn extreem brede bandkloof. Dit betekent dat er veel meer energie nodig is om elektronen van de valentieband naar de geleidingsband te verplaatsen; daardoor heeft siliciumcarbide zeer lage vermogensverliezen - een kwaliteit van onschatbare waarde bij gebruik voor hoogspanningstoepassingen, zoals tractieomvormers voor elektrische voertuigen.

Siliciumcarbide wordt al heel lang gebruikt voor verschillende toepassingen in de industrie en de academische wereld, van straalgrit en carborundumdrukgereedschap tot thermische, elektrische en werktuigbouwkundige toepassingen. Recentelijk is de vraag echter explosief gestegen vanwege de lage thermische uitzettingssnelheden, de hoge sterkte-hardheidsverhouding en het vermogen om vijandige omgevingen te weerstaan.

Keramisch

Silicium en koolstof vormen samen een aantrekkelijk materiaal met uitstekende mechanische, chemische en thermische eigenschappen. Het heeft een extreme hardheid - wel twee keer die van diamant op de schaal van Mohs - en een superieure weerstand tegen thermische schokken in vergelijking met andere vuurvaste materialen.

Keramiek verwijst naar een anorganisch, niet-metalen materiaal dat extreem flexibel is als het niet gebakken is, maar aanzienlijk verhardt tijdens bakprocessen. Keramiek omvat verschillende categorieën, bijvoorbeeld:

Keramiek wordt voornamelijk gebruikt als vuurvaste materialen, anorganische materialen die weerstand bieden tegen hitte, chemische slijtage en corrosie. Keramiek is er in allerlei vormen en kleuren en wordt in allerlei industrieën gebruikt. Belangrijke toepassingen voor biokeramiek zijn brandbeveiliging, supergeleiders en het opwekken van biologische reacties van cellen. Bioactieve keramiek kan intrinsiek bioactief zijn of kan zo worden gemaakt door oppervlaktebehandelingen of door keramische poriën te vullen met farmaceutisch actieve stoffen. Siliciumcarbide wordt op grote schaal gebruikt voor remschijven in auto's die de wrijving en uitstoot aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd bestand zijn tegen hoge temperaturen zonder dat er actieve koelsystemen nodig zijn die gewicht, complexiteit en kosten toevoegen. Bovendien vormt het de basis van veel schuurmiddelen en snijgereedschappen.

Automotive

Siliciumcarbide (SiC) is een extreem taai materiaal dat op de negende plaats staat op de schaal van Mohs, tussen aluminiumoxide (9) en diamant (10) in. Siliciumcarbide werd voor het eerst kunstmatig gesynthetiseerd door de Amerikaanse uitvinder Edward Acheson in 1891, toen hij kunstmatige diamanten probeerde te maken. In plaats daarvan ontdekte hij kleine zwarte kristallen van SiC in zijn elektrisch verwarmde smelt van koolstof en aluminiumoxide die tot poeder werden vermalen voor industriële schuurmiddelen. Nobelprijswinnaar Henri Moissan nam de verbinding in 1905 op natuurlijke wijze waar als transparant mineraal dat moissaniet werd genoemd.

De unieke atomaire structuur en halfgeleidereigenschappen van siliciumcarbide maken het ideaal voor elektronische toepassingen zoals diodes, transistors en voedingsapparaten. Het heeft een tien keer grotere spanningsweerstand dan traditioneel silicium en presteert zelfs beter in systemen van meer dan 1000 V, waardoor het het ideale materiaal is om te voldoen aan de hoge spanningsvereisten van oplaadstations voor elektrische voertuigen (EV) en energiebeheersystemen.

SiC kan de schakelingsefficiëntie aanzienlijk verbeteren en tegelijkertijd de afmetingen en het gewicht van essentiële EV-componenten, zoals DC-naarDC-converters, boordladers en batterijbeheersystemen, helpen te verminderen. Deze vooruitgang kan emissievrij rijden dichter bij massale toepassing brengen. De analyse van GlobalData identificeert meer dan 10 bedrijven - van technologieleveranciers en gevestigde automobielbedrijven tot opkomende start-ups - die siliciumcarbide gebruiken voor innovatieve oplossingen.