Definition af siliciumcarbid

Siliciumcarbid (SiC) er en hård, syntetisk fremstillet krystallinsk forbindelse, der i vid udstrækning anvendes som et slibende og slidstærkt materiale i ildfaste materialer og keramiske anvendelser samt som halvledersubstrat til lysdioder (LED).

EFM-halvledere overgår også traditionelle siliciumhalvledere i højspændingsmiljøer som dem, der findes i elbilers strømforsyninger, og giver overlegen ydeevne ved at minimere tab i spænding og strøm samt krympe og lette vigtige batteristyringskomponenter, samtidig med at størrelse og vægt mindskes.

Siliciumkarbid

Siliciumcarbid er en inert keramisk forbindelse, der består af silicium og kulstof. Med en Mohs-hårdhedsgrad på 9 ligger det på tredjepladsen efter borcarbid (9,5) og diamant (10). Siliciumcarbid har en høj mekanisk holdbarhed, samtidig med at det er kemisk inert, hvilket gør det perfekt til beskyttelse af hårde overflader på f.eks. værktøjsmaskiner.

Rene kulstofnanorør indeholder fire kulstofatomer, der er arrangeret i fire kulstoftetraedre, som er kovalent bundet sammen af siliciumbindinger. Dette arrangement giver mulighed for polymorfisme med forskellige krystalstrukturer og faser.

SiC's krystallinske struktur resulterer i dets overlegne elektriske egenskaber, herunder WBG-egenskaber (wide band-gap semiconductor), der er afgørende for elektroniske anvendelser. Et større båndgab gør det muligt for elektroner at forlade kredsløbet hurtigere, hvilket fører til højere frekvenser og hurtigere drift end med konventionelle siliciumenheder.

Som basismateriale kan silicium dopes med nitrogen, fosfor, gallium, bor og aluminium for at producere n-type halvledere. Desuden kan transistorer uden silicium reducere omkostningerne og strømforbruget med helt op til 40%.

Siliciumcarbid (SiC) kan fungere op til 300 °C, hvilket gør det til et fremragende materialevalg til applikationer i højtemperaturmiljøer som f.eks. elbilmotorer. SiC kan eliminere behovet for aktive kølesystemer, som øger vægten, omkostningerne og kompleksiteten - hvilket betyder større rækkevidde og hurtigere opladningstider for disse køretøjer.

Halvleder

Siliciumcarbid har længe været kendt for sine unikke elektriske egenskaber, som gør det meget anvendeligt i elektronik. Halvledere, der skifter mellem at fungere som ledere (som elektriske kobberledninger) og isolatorer (polymerisolering, der dækker disse ledninger), udgør halvledermaterialer, der bruges til at konstruere integrerede kredsløb, diskrete elektroniske komponenter som dioder og transistorer, der leder elektricitet under visse forhold; deres ledningsevne kan endda ændres via stimulering med elektriske strømme, elektromagnetiske felter eller lysstimulering.

Siliciumcarbid skiller sig ud fra traditionelle halvledere ved at have et ekstremt bredt båndgab. Det betyder, at det kræver meget mere energi at flytte elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet; derfor har siliciumcarbid meget lave effekttab - en uvurderlig kvalitet, når det bruges til højspændingsapplikationer, som f.eks. invertere til elbiler.

Siliciumcarbid har længe været brugt til forskellige formål i industrien og i den akademiske verden, lige fra sandblæsning og karborundum-printværktøjer til termiske, elektriske og maskintekniske anvendelser. På det seneste er efterspørgslen dog eksploderet på grund af dets lave varmeudvidelse, høje styrke/hårdhedsforhold og evne til at modstå fjendtlige miljøer.

Keramik

Silicium og kulstof giver tilsammen et attraktivt materiale med fremragende mekaniske, kemiske og termiske egenskaber. Det har en ekstrem hårdhed - så meget som det dobbelte af diamant på Mohs' skala - samt en overlegen modstandsdygtighed over for termisk chok i forhold til andre ildfaste materialer.

Keramik er et uorganisk, ikke-metallisk materiale, som er ekstremt fleksibelt i ubrændt tilstand, men som hærder betydeligt under brændingsprocessen. Keramik dækker over forskellige kategorier, f.eks:

Keramik bruges primært som ildfaste materialer, uorganiske materialer, der giver modstandsdygtighed over for varme og kemisk slid og korrosion. Keramik findes i alle mulige former og farver og bruges på tværs af brancher. Vigtige anvendelser for bioceramik omfatter brandbeskyttelse, superledere og fremkaldelse af biologiske reaktioner fra celler. Bioaktiv keramik kan enten være bioaktiv i sig selv eller gøres bioaktiv ved hjælp af overfladebehandlinger eller ved at fylde keramiske porer med farmaceutisk aktive stoffer. Siliciumcarbid bruges i vid udstrækning til bremseskiver til biler, der reducerer friktion og emissioner betydeligt og samtidig modstår høje temperaturer uden behov for aktive kølesystemer, der øger vægten, kompleksiteten og omkostningerne. Desuden danner det grundlaget for mange slibemidler og skæreværktøjer.

Biler

Siliciumcarbid (SiC) er et ekstremt hårdt materiale, der ligger på niendepladsen på Mohs skala mellem aluminiumoxid (9) og diamant (10). Siliciumcarbid blev først syntetiseret kunstigt af den amerikanske opfinder Edward Acheson i 1891, da han forsøgte at fremstille kunstige diamanter, men i stedet opdagede små sorte krystaller af SiC i sin elektrisk opvarmede smelte af kulstof og aluminiumoxid, som blev malet til pulverform til industrielle slibemidler. Den nobelprisvindende kemiker Henri Moissan observerede forbindelsen naturligt som et gennemsigtigt mineral kaldet moissanit i 1905.

Siliciumcarbids unikke atomare struktur og halvlederegenskaber gør det ideelt til elektroniske anvendelser som dioder, transistorer og strømforsyninger. Det har ti gange større spændingsmodstand end traditionelt silicium og fungerer endnu bedre i systemer, der overstiger 1000 V, hvilket gør det til det ideelle materiale til at opfylde de høje spændingskrav, der er forbundet med ladestationer til elbiler og energistyringssystemer.

SiC kan forbedre skifteeffektiviteten betydeligt og samtidig bidrage til at reducere størrelsen og vægten af vigtige komponenter til elbiler, såsom DC-til-DC-konvertere, indbyggede opladere og batteristyringssystemer. Disse fremskridt kan bringe emissionsfri kørsel tættere på masseindførelse. GlobalDatas analyse identificerer over 10 virksomheder - lige fra teknologileverandører og etablerede bilvirksomheder til nystartede virksomheder - der bruger siliciumcarbid til innovative løsninger.