Kiselkarbid Definition

Kiselkarbid (SiC) är en hård, syntetiskt framställd kristallin förening som ofta används som ett slipande och slitstarkt material, i eldfasta material och keramiktillämpningar samt som halvledarsubstrat för lysdioder (LED).

EFM-halvledarna överträffar också traditionella kiselhalvledare i högspänningsmiljöer, som i kraftaggregat för elfordon (EV), och ger överlägsen prestanda genom att minimera spännings- och strömförluster samt krympa och lätta på viktiga batterihanteringskomponenter samtidigt som storlek och vikt minskas.

Kiselkarbid

Kiselkarbid är en inert keramisk förening som består av kisel och kol. Med en Mohs-hårdhetsgrad på 9 ligger den på tredje plats efter borkarbid (9,5) och diamant (10). Kiselkarbid har hög mekanisk hållbarhet samtidigt som den är kemiskt inert, vilket gör den perfekt för skydd av hårda ytor i t.ex. verktygsmaskiner.

Rena kolnanorör innehåller fyra kolatomer som är ordnade i fyra koltetraeder, kovalent sammanbundna med kiselbindningar. Detta arrangemang möjliggör polymorfism med olika kristallstrukturer och faser.

SiC:s kristallina struktur resulterar i dess överlägsna elektriska egenskaper, inklusive halvledaregenskaper med brett bandgap (WBG) som är viktiga för elektroniska tillämpningar. Ett större bandgap gör att elektronerna kan lämna omloppsbanan snabbare, vilket leder till högre frekvenser och snabbare drift än med konventionella kiselkretsar.

Som basmaterial kan kisel dopas med kväve, fosfor, gallium, bor och aluminium för att producera halvledare av n-typ. Dessutom kan kiselfria transistorer minska kostnaden och strömförbrukningen med så mycket som 40%.

Kiselkarbid (SiC) kan arbeta i upp till 300 grader Celsius, vilket gör det till ett utmärkt materialval för applikationer i högtemperaturmiljöer som t.ex. motorer i elfordon. SiC kan eliminera behovet av aktiva kylsystem som ökar vikt, kostnad och komplexitet - vilket innebär längre räckvidd och snabbare laddningstider för dessa fordon.

Halvledare

Kiselkarbid har länge varit känt för sina unika elektriska egenskaper som gör det mycket användbart inom elektronik. Halvledare, som växlar mellan att fungera som ledare (som elektriska kopparledningar) och isolatorer (polymerisolering som täcker dessa ledningar), utgör halvledarmaterial som används för att konstruera integrerade kretsar, diskreta elektroniska komponenter som dioder och transistorer, som leder elektricitet under vissa förhållanden; deras ledningsförmåga kan till och med ändras genom stimulering via elektriska strömmar, elektromagnetiska fält eller ljusstimulering.

Kiselkarbid skiljer sig från traditionella halvledare genom att ha ett extremt brett bandgap. Det innebär att det krävs mycket mer energi för att flytta elektroner från valensbandet till ledningsbandet, och därför har kiselkarbid mycket låga effektförluster - en ovärderlig egenskap när den används för högspänningsapplikationer, t.ex. växelriktare för elfordon.

Kiselkarbid har länge använts för olika ändamål inom industrin och den akademiska världen, från blästerkorn och karborundumverktyg för tryckning till termiska, elektriska och mekaniska tillämpningar. På senare tid har dock efterfrågan skjutit i höjden på grund av dess låga värmeutvidgningstal, höga hållfasthet/hårdhetskvot och förmåga att motstå fientliga miljöer.

Keramik

Kisel och kol bildar tillsammans ett attraktivt material med utmärkta mekaniska, kemiska och termiska egenskaper. Det har extrem hårdhet - så mycket som dubbelt så mycket som diamant på Mohs skala - samt överlägsen motståndskraft mot termisk chock i förhållande till andra eldfasta material.

Med keramik avses ett oorganiskt, icke-metalliskt material som är extremt flexibelt i obränt tillstånd men som hårdnar avsevärt under bränningsprocessen. Keramiken omfattar olika kategorier, t.ex:

Keramik används främst som eldfasta material, oorganiska material som ger motståndskraft mot värme och kemiskt slitage och korrosion. Keramik finns i alla möjliga former och färger och används inom alla branscher. Viktiga användningsområden för biokeramer är bland annat brandskydd, supraledare och att framkalla biologiska reaktioner i celler. Bioaktiva keramer kan antingen vara bioaktiva i sig, eller så kan de göras bioaktiva genom ytbehandlingar eller genom att fylla keramiska porer med farmaceutiskt aktiva substanser. Kiselkarbid används ofta till bromsskivor för bilar som avsevärt minskar friktionen och utsläppen samtidigt som de klarar höga temperaturer utan att behöva aktiva kylsystem som ökar vikten, komplexiteten och kostnaderna. Dessutom utgör användningen av kiselkarbid grunden för många slipmedel och skärverktyg.

Fordon

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt segt material som rankas som nummer nio på Mohs skala, mellan aluminiumoxid (9) och diamant (10). Kiselkarbid syntetiserades först på konstgjord väg av den amerikanske uppfinnaren Edward Acheson 1891 när han försökte tillverka konstgjorda diamanter, men i stället upptäckte små svarta kristaller av SiC i sin elektriskt upphettade smälta av kol och aluminiumoxid som maldes till pulverform för industriella slipmedel. Den Nobelprisbelönade kemisten Henri Moissan observerade föreningen naturligt som ett transparent mineral kallat moissanit 1905.

Kiselkarbidens unika atomstruktur och halvledaregenskaper gör den idealisk för elektroniska tillämpningar som dioder, transistorer och kraftaggregat. Det har tio gånger högre spänningsresistans än traditionellt kisel och fungerar ännu bättre i system som överstiger 1000 V, vilket gör det till det perfekta materialet för att uppfylla de höga spänningskrav som förknippas med laddningsstationer för elfordon och energihanteringssystem.

SiC kan avsevärt förbättra switchningseffektiviteten och samtidigt bidra till att minska storleken och vikten på viktiga EV-komponenter, t.ex. DC-till-DC-omvandlare, ombordladdare och batterihanteringssystem. Dessa framsteg skulle kunna föra utsläppsfri körning närmare massanvändning. GlobalData-analysen identifierar över 10 företag - allt från teknikleverantörer och etablerade fordonsföretag till nystartade företag - som använder kiselkarbid för innovativa lösningar.