تعريف كربيد السيليكون كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب بلوري صلب يتم إنتاجه صناعياً ويستخدم على نطاق واسع كمادة كاشطة ومقاومة للتآكل، في تطبيقات الحراريات والسيراميك، فضلاً عن كونه ركيزة شبه موصلة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

كما تفوقت أشباه موصلات EFM على أشباه موصلات السيليكون التقليدية في بيئات الجهد العالي مثل تلك الموجودة في أجهزة طاقة السيارات الكهربائية (EV)، مما يوفر أداءً فائقًا من خلال تقليل الخسائر في الجهد والتيار بالإضافة إلى تقليص مكونات إدارة البطارية الأساسية وتخفيفها مع تقليل الحجم والوزن.

كربيد السيليكون

كربيد السيليكون هو مركب خزفي خامل يتكون من السيليكون والكربون. ومع تصنيف صلابة موس 9، فإنه يأتي في المرتبة الثالثة بعد كربيد البورون (9.5) والماس (10). يتمتع كربيد السيليكون بمتانة ميكانيكية عالية بينما يظل خاملًا كيميائيًا؛ مما يجعله مثاليًا لتطبيقات حماية الأسطح الصلبة مثل أدوات الماكينات.

وتحتوي الأنابيب النانوية الكربونية النقية على أربع ذرات كربون مرتبة في أربع ذرات كربون رباعية السطوح مرتبطة تساهمياً بروابط سيليكونية. ويسمح هذا الترتيب بتعدد الأشكال مع هياكل وأطوار بلورية مختلفة.

ينتج عن التركيب البلوري للسيليكون السيليكوني خواصه الكهربائية الفائقة، بما في ذلك خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) الضرورية للتطبيقات الإلكترونية. تسمح فجوة النطاق الأكبر للإلكترونات بمغادرة المدار بشكل أسرع، مما يؤدي إلى ترددات أعلى وعمليات أسرع من أجهزة السيليكون التقليدية.

كمادة أساسية، يمكن تخدير السيليكون بالنيتروجين والفوسفور والغاليوم والبورون والألومنيوم لإنتاج أشباه موصلات من النوع n. علاوة على ذلك، يمكن أن تقلل الترانزستورات الخالية من السيليكون من التكلفة واستهلاك الطاقة بمقدار 401 تيرابايت 3 تيرابايت.

يمكن أن يعمل كربيد السيليكون (SiC) حتى 300 درجة مئوية، مما يجعله خياراً ممتازاً من المواد للتطبيقات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية مثل محركات السيارات الكهربائية. يمكن أن تلغي مادة SiC الحاجة إلى أنظمة التبريد النشطة التي تضيف وزناً وتكلفة وتعقيداً - مما يترجم إلى مدى أكبر وأوقات شحن أسرع لهذه المركبات.

أشباه الموصلات

يُعرف كربيد السيليكون منذ فترة طويلة بخصائصه الكهربائية الفريدة التي تجعله مفيدًا للغاية في الإلكترونيات. وأشباه الموصلات، التي تتناوب بين العمل كموصلات (مثل الأسلاك الكهربائية النحاسية) وعوازل (عازل بوليمرية تغطي تلك الأسلاك)، تشكل المواد شبه الموصلة المستخدمة في بناء الدوائر المتكاملة، والمكونات الإلكترونية المنفصلة مثل الثنائيات والترانزستورات، التي توصل الكهرباء في ظروف معينة؛ بل ويمكن تغيير توصيلها عن طريق التحفيز عبر التيارات الكهربائية أو المجالات الكهرومغناطيسية أو التحفيز الضوئي.

يتميز كربيد السيليكون عن أشباه الموصلات التقليدية بامتلاكه فجوة نطاق واسعة للغاية. وهذا يعني أنه يتطلب طاقة أكبر بكثير لتحريك الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل؛ وبالتالي، فإن كربيد السيليكون يتميز بفاقد منخفض جدًا للطاقة، وهي ميزة لا تقدر بثمن عند استخدامه في تطبيقات الجهد العالي، مثل محولات الجر الكهربائية في المركبات الكهربائية.

يُستخدم كربيد السيليكون منذ فترة طويلة في استخدامات مختلفة في الصناعة والأوساط الأكاديمية، بدءًا من حصى التفجير وأدوات الطباعة الكاربوروندوم إلى التطبيقات الهندسية الحرارية والكهربائية والميكانيكية. ومع ذلك، فقد ارتفع الطلب عليه مؤخرًا بشكل كبير بسبب معدلات التمدد الحراري المنخفضة ونسبة القوة إلى الصلابة العالية والقدرة على تحمل البيئات المعادية.

سيراميك

يجتمع السيليكون والكربون لإنتاج مادة جذابة ذات خصائص ميكانيكية وكيميائية وحرارية ممتازة. وهي تتميز بصلابة فائقة - تصل إلى ضعف صلابة الماس على مقياس موس - بالإضافة إلى مقاومة فائقة للصدمات الحرارية مقارنةً بالمواد الحرارية الأخرى.

يشير السيراميك إلى مادة غير عضوية وغير معدنية تكون مرنة للغاية عندما لا يتم حرقها ولكنها تتصلب بشكل كبير أثناء عمليات الحرق. يغطي السيراميك فئات مختلفة؛ على سبيل المثال:

يُستخدم السيراميك في المقام الأول كحراريات، وهي مواد غير عضوية توفر مقاومة ضد الحرارة والتآكل الكيميائي والتآكل. يأتي السيراميك في جميع أنواع الأشكال والألوان ويستخدم في جميع الصناعات. تشمل الاستخدامات المهمة للسيراميك الحيوي الحماية من الحرائق والموصلات الفائقة واستحثاث الاستجابات البيولوجية من الخلايا. قد يكون السيراميك النشط بيولوجيًا إما أن يكون نشطًا بيولوجيًا في جوهره، أو يمكن جعله كذلك من خلال المعالجات السطحية أو ملء مسام السيراميك بمواد نشطة صيدلانية. يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع في أقراص مكابح السيارات التي تقلل الاحتكاك والانبعاثات بشكل كبير مع تحمل درجات الحرارة العالية دون الحاجة إلى أنظمة تبريد نشطة تضيف وزناً وتعقيداً وتكلفة. وعلاوة على ذلك، يشكل استخدامه أساس العديد من المواد الكاشطة وأدوات القطع.

السيارات

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شديدة الصلابة تحتل المرتبة التاسعة على مقياس موس، بين الألومينا (9) والماس (10). تم تصنيع كربيد السيليكون لأول مرة بشكل مصطنع من قبل المخترع الأمريكي إدوارد أتشيسون في عام 1891 عندما حاول تصنيع الماس الاصطناعي، ولكنه اكتشف بدلاً من ذلك بلورات سوداء صغيرة من SiC في ذوبان الكربون والألومينا المسخن كهربائياً الذي تم طحنه في شكل مسحوق لصنع مواد كاشطة صناعية. لاحظ الكيميائي هنري مويسان الحائز على جائزة نوبل هذا المركب بشكل طبيعي كمعدن شفاف يسمى المويسانيت في عام 1905.

إن التركيب الذري الفريد لكربيد السيليكون وخصائص أشباه الموصلات الفريدة من نوعها تجعله مثاليًا للتطبيقات الإلكترونية مثل الثنائيات والترانزستورات وأجهزة الطاقة. وهو يتمتع بمقاومة جهد أكبر بعشرة أضعاف من السيليكون التقليدي، كما أنه يعمل بشكل أفضل في الأنظمة التي تتجاوز 1000 فولت، مما يجعله المادة المثالية لتلبية متطلبات الجهد العالي المرتبطة بمحطات شحن السيارات الكهربائية (EV) وأنظمة إدارة الطاقة.

يمكن أن تحسن SiC من كفاءة التحويل بشكل كبير مع المساعدة أيضًا في تقليل حجم ووزن مكونات السيارات الكهربائية الأساسية، مثل محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر والشواحن المدمجة وأنظمة إدارة البطاريات. هذه التطورات يمكن أن تجعل القيادة الخالية من الانبعاثات أقرب إلى الاعتماد الجماعي. ويحدد تحليل GlobalData أكثر من 10 شركات - بدءاً من بائعي التكنولوجيا وشركات السيارات الراسخة إلى الشركات الناشئة الصاعدة - التي تستخدم كربيد السيليكون في حلول مبتكرة.