Definice karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) je tvrdá, synteticky vyráběná krystalická sloučenina, která se široce používá jako abrazivní a otěruvzdorný materiál, v žáruvzdorných a keramických aplikacích a také jako polovodičový substrát pro světelné diody (LED).

Polovodiče EFM také překonávají tradiční křemíkové polovodiče ve vysokonapěťových prostředích, jaká se vyskytují v napájecích zařízeních pro elektromobily (EV), a poskytují vynikající výkon díky minimalizaci ztrát napětí a proudu a také díky zmenšení a odlehčení základních komponent pro správu baterií při současném snížení velikosti a hmotnosti.

Karbid křemíku

Karbid křemíku je inertní keramická sloučenina složená z křemíku a uhlíku. S tvrdostí 9 podle Mohsovy stupnice je na třetím místě za karbidem boru (9,5) a diamantem (10). Karbid křemíku má vysokou mechanickou odolnost a zároveň zůstává chemicky inertní, takže je ideální pro aplikace ochrany tvrdých povrchů, jako jsou obráběcí stroje.

Čisté uhlíkové nanotrubičky obsahují čtyři atomy uhlíku uspořádané do čtyř uhlíkových tetraedrů, kovalentně spojených křemíkovými vazbami. Toto uspořádání umožňuje polymorfismus s různými krystalovými strukturami a fázemi.

Krystalická struktura SiC má za následek jeho vynikající elektrické vlastnosti, včetně vlastností polovodiče se širokým pásmovým rozpětím (WBG), které jsou nezbytné pro elektronické aplikace. Větší pásová mezera umožňuje elektronům rychleji opouštět oběžnou dráhu, což vede k vyšším frekvencím a rychlejším operacím než u běžných křemíkových zařízení.

Křemík jako základní materiál může být dopován dusíkem, fosforem, heliem, borem a hliníkem, čímž vznikají polovodiče typu n. Tranzistory bez křemíku mohou navíc snížit náklady a spotřebu energie až o 40%.

Karbid křemíku (SiC) může pracovat až do teploty 300 stupňů C, což z něj činí vynikající materiál pro aplikace v prostředí s vysokými teplotami, jako jsou motory elektrických vozidel. SiC může eliminovat potřebu aktivních chladicích systémů, které zvyšují hmotnost, náklady a složitost, což se projeví ve větším dojezdu a kratší době nabíjení těchto vozidel.

Polovodiče

Karbid křemíku je již dlouho známý pro své jedinečné elektrické vlastnosti, díky nimž je velmi užitečný v elektronice. Polovodiče, které se střídavě chovají jako vodiče (jako měděné elektrické vodiče) a izolátory (polymerní izolace pokrývající tyto vodiče), tvoří polovodičové materiály používané ke konstrukci integrovaných obvodů, diskrétních elektronických součástek, jako jsou diody a tranzistory, které za určitých podmínek vedou elektrický proud; jejich vodivost lze dokonce měnit stimulací pomocí elektrického proudu, elektromagnetického pole nebo světelné stimulace.

Karbid křemíku se od tradičních polovodičů liší extrémně širokým pásmem. To znamená, že k přesunu elektronů z valenčního do vodivostního pásu je zapotřebí mnohem více energie; karbid křemíku se proto může pochlubit velmi nízkými ztrátami výkonu - což je neocenitelná vlastnost při použití ve vysokonapěťových aplikacích, jako jsou trakční měniče pro elektrická vozidla.

Karbid křemíku se již dlouho používá k různým účelům v průmyslu i na akademické půdě, od tryskacích zrn a karborundových tiskařských nástrojů až po tepelné, elektrotechnické a strojírenské aplikace. V poslední době však poptávka po něm prudce vzrostla díky jeho nízké tepelné roztažnosti, vysokému poměru pevnosti a tvrdosti a schopnosti odolávat nepříznivým podmínkám.

Keramické

Spojením křemíku a uhlíku vzniká atraktivní materiál s vynikajícími mechanickými, chemickými a tepelnými vlastnostmi. Vyznačuje se extrémní tvrdostí - až dvojnásobnou oproti diamantu na Mohsově stupnici - a také vynikající odolností proti tepelným šokům ve srovnání s jinými žáruvzdornými materiály.

Keramika je anorganický nekovový materiál, který je v nevypáleném stavu velmi pružný, ale během vypalování výrazně tvrdne. Keramika zahrnuje různé kategorie, např:

Keramika se používá především jako žáruvzdorný materiál, anorganický materiál, který zajišťuje odolnost proti tepelnému a chemickému opotřebení a korozi. Keramika se vyrábí v nejrůznějších tvarech a barvách a používá se v různých průmyslových odvětvích. Mezi důležitá použití biokeramiky patří protipožární ochrana, supravodiče a vyvolávání biologických reakcí buněk. Bioaktivní keramika může být buď sama o sobě bioaktivní, nebo může být bioaktivní díky povrchové úpravě nebo vyplnění keramických pórů farmaceuticky účinnými látkami. Karbid křemíku se široce používá pro automobilové brzdové kotouče, které výrazně snižují tření a emise a zároveň odolávají vysokým teplotám bez nutnosti aktivních chladicích systémů, které zvyšují hmotnost, složitost a náklady. Kromě toho je jeho použití základem mnoha brusiv a řezných nástrojů.

Automobilový průmysl

Karbid křemíku (SiC) je extrémně houževnatý materiál, který se na Mohsově stupnici řadí na deváté místo mezi oxid hlinitý (9) a diamant (10). Karbid křemíku poprvé uměle syntetizoval americký vynálezce Edward Acheson v roce 1891, když se pokoušel vyrobit umělé diamanty, ale místo toho objevil ve své elektricky zahřívané tavenině uhlíku a oxidu hlinitého malé černé krystalky SiC, které rozemlel do formy prášku pro průmyslové brusivo. Chemik Henri Moissan, nositel Nobelovy ceny, tuto sloučeninu v roce 1905 pozoroval v přírodě jako průhledný minerál zvaný moissanit.

Karbid křemíku je díky své jedinečné atomové struktuře a polovodičovým vlastnostem ideální pro elektronické aplikace, jako jsou diody, tranzistory a výkonová zařízení. Má desetkrát větší napěťovou odolnost než tradiční křemík a funguje ještě lépe v systémech přesahujících 1000 V, což z něj činí ideální materiál pro splnění vysokonapěťových požadavků spojených s nabíjecími stanicemi pro elektromobily a systémy řízení spotřeby energie.

SiC může výrazně zlepšit účinnost spínání a zároveň pomoci snížit velikost a hmotnost základních komponent pro elektromobily, jako jsou DC-DC měniče, palubní nabíječky a systémy řízení baterií. Tyto pokroky by mohly přiblížit bezemisní jízdu k masovému rozšíření. Analýza společnosti GlobalData identifikuje více než 10 společností - od dodavatelů technologií a zavedených automobilových společností až po začínající podniky - využívajících karbid křemíku pro inovativní řešení.