Definicja węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) to twardy, syntetycznie wytwarzany związek krystaliczny, szeroko stosowany jako materiał ścierny i odporny na zużycie, w materiałach ogniotrwałych i ceramice, a także jako podłoże półprzewodnikowe dla diod elektroluminescencyjnych (LED).

Półprzewodniki EFM prześcignęły również tradycyjne półprzewodniki krzemowe w środowiskach wysokiego napięcia, takich jak te występujące w urządzeniach zasilających pojazdy elektryczne (EV), zapewniając doskonałą wydajność dzięki minimalizacji strat napięcia i prądu, a także zmniejszeniu i odchudzeniu niezbędnych komponentów zarządzania baterią przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru i wagi.

Węglik krzemu

Węglik krzemu to obojętny związek ceramiczny składający się z krzemu i węgla. Z twardością w skali Mohsa wynoszącą 9, plasuje się na trzecim miejscu za węglikiem boru (9,5) i diamentem (10). Węglik krzemu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, a jednocześnie pozostaje obojętny chemicznie, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań związanych z ochroną twardych powierzchni, takich jak obrabiarki.

Czyste nanorurki węglowe zawierają cztery atomy węgla ułożone w cztery tetraedry węglowe, kowalencyjnie połączone wiązaniami krzemowymi. Taki układ pozwala na polimorfizm z różnymi strukturami krystalicznymi i fazami.

Struktura krystaliczna SiC przekłada się na jego doskonałe właściwości elektryczne, w tym charakterystykę półprzewodnika o szerokim paśmie przenoszenia (WBG), niezbędną w zastosowaniach elektronicznych. Większa przerwa pasmowa pozwala elektronom szybciej opuszczać orbitę, co prowadzi do wyższych częstotliwości i szybszych operacji niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń krzemowych.

Jako materiał bazowy, krzem może być domieszkowany azotem, fosforem, galem, borem i aluminium w celu wytworzenia półprzewodników typu n. Co więcej, tranzystory bez krzemu mogą obniżyć koszty i zużycie energii nawet o 40%.

Węglik krzemu (SiC) może pracować w temperaturze do 300 stopni Celsjusza, co czyni go doskonałym materiałem do zastosowań w środowiskach o wysokiej temperaturze, takich jak silniki pojazdów elektrycznych. SiC może wyeliminować potrzebę stosowania aktywnych systemów chłodzenia, które zwiększają wagę, koszty i złożoność - co przekłada się na większy zasięg i krótszy czas ładowania tych pojazdów.

Półprzewodnik

Węglik krzemu jest od dawna znany ze swoich unikalnych właściwości elektrycznych, które czynią go bardzo przydatnym w elektronice. Półprzewodniki, które na przemian działają jak przewodniki (jak miedziane przewody elektryczne) i izolatory (izolacja polimerowa pokrywająca te przewody), tworzą materiały półprzewodnikowe używane do budowy układów scalonych, dyskretnych elementów elektronicznych, takich jak diody i tranzystory, które przewodzą prąd w określonych warunkach; ich przewodnictwo można nawet zmieniać poprzez stymulację prądami elektrycznymi, polami elektromagnetycznymi lub stymulacją świetlną.

Węglik krzemu wyróżnia się spośród tradycyjnych półprzewodników niezwykle szerokim pasmem wzbronionym. Oznacza to, że wymaga znacznie więcej energii, aby przenieść elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa; w konsekwencji węglik krzemu charakteryzuje się bardzo niskimi stratami mocy - jest to nieoceniona cecha w przypadku zastosowań wysokonapięciowych, takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych.

Węglik krzemu jest od dawna wykorzystywany do różnych zastosowań w przemyśle i środowisku akademickim, od ścierniw i narzędzi do drukowania karborundu po zastosowania w inżynierii cieplnej, elektrycznej i mechanicznej. Ostatnio jednak popyt na węglik krzemu gwałtownie wzrósł ze względu na jego niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoki stosunek wytrzymałości do twardości i odporność na nieprzyjazne środowisko.

Ceramika

Połączenie krzemu i węgla tworzy atrakcyjny materiał o doskonałych właściwościach mechanicznych, chemicznych i termicznych. Charakteryzuje się wyjątkową twardością - nawet dwukrotnie większą niż diament w skali Mohsa - a także doskonałą odpornością na szok termiczny w porównaniu z innymi materiałami ogniotrwałymi.

Ceramika odnosi się do nieorganicznego, niemetalicznego materiału, który jest niezwykle elastyczny, gdy nie jest wypalany, ale znacznie twardnieje podczas procesów wypalania. Ceramika obejmuje różne kategorie; na przykład:

Ceramika jest stosowana głównie jako materiały ogniotrwałe, materiały nieorganiczne, które zapewniają odporność na zużycie cieplne i chemiczne oraz korozję. Ceramika występuje w różnych kształtach i kolorach i jest wykorzystywana w wielu branżach. Ważne zastosowania bioceramiki obejmują ochronę przeciwpożarową, nadprzewodniki i wywoływanie reakcji biologicznych w komórkach. Bioaktywna ceramika może być samoistnie bioaktywna lub może być tak wykonana poprzez obróbkę powierzchni lub wypełnienie porów ceramicznych substancjami aktywnymi farmaceutycznie. Węglik krzemu jest szeroko stosowany w samochodowych tarczach hamulcowych, które znacznie zmniejszają tarcie i emisję spalin, jednocześnie wytrzymując wysokie temperatury bez konieczności stosowania aktywnych systemów chłodzenia, które zwiększają wagę, złożoność i koszty. Ponadto jego zastosowanie stanowi podstawę wielu materiałów ściernych i narzędzi tnących.

Motoryzacja

Węglik krzemu (SiC) jest niezwykle twardym materiałem zajmującym dziewiąte miejsce w skali Mohsa, pomiędzy tlenkiem glinu (9) a diamentem (10). Węglik krzemu został po raz pierwszy sztucznie zsyntetyzowany przez amerykańskiego wynalazcę Edwarda Achesona w 1891 roku podczas próby wyprodukowania sztucznych diamentów, ale zamiast tego odkrył małe czarne kryształy SiC w swoim elektrycznie podgrzewanym stopie węgla i tlenku glinu, które zostały zmielone do postaci proszku do przemysłowych materiałów ściernych. Nagrodzony Noblem chemik Henri Moissan zaobserwował ten związek naturalnie jako przezroczysty minerał zwany moissanitem w 1905 roku.

Unikalna struktura atomowa i właściwości półprzewodnikowe węglika krzemu sprawiają, że jest on idealny do zastosowań elektronicznych, takich jak diody, tranzystory i urządzenia zasilające. Ma dziesięciokrotnie większą odporność na napięcie niż tradycyjny krzem i działa jeszcze lepiej w systemach przekraczających 1000 V, co czyni go idealnym materiałem do spełnienia wymagań wysokiego napięcia związanych ze stacjami ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i systemami zarządzania energią.

SiC może znacznie poprawić wydajność przełączania, jednocześnie pomagając zmniejszyć rozmiar i wagę podstawowych komponentów pojazdów elektrycznych, takich jak konwertery DC-DC, ładowarki pokładowe i systemy zarządzania akumulatorami. Postępy te mogą przybliżyć bezemisyjną jazdę do masowej adopcji. Analiza GlobalData identyfikuje ponad 10 firm - od dostawców technologii i uznanych firm motoryzacyjnych po wschodzące start-upy - wykorzystujących węglik krzemu do innowacyjnych rozwiązań.