Ορισμός καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια σκληρή, συνθετικά παραγόμενη κρυσταλλική ένωση που χρησιμοποιείται ευρέως ως λειαντικό και ανθεκτικό στη φθορά υλικό, σε πυρίμαχα υλικά και εφαρμογές κεραμικών, καθώς και ως υπόστρωμα ημιαγωγού για διόδους εκπομπής φωτός (LED).

Οι ημιαγωγοί EFM ξεπέρασαν επίσης τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου σε περιβάλλοντα υψηλής τάσης, όπως αυτά που συναντώνται σε συσκευές ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων (EV), παρέχοντας ανώτερες επιδόσεις ελαχιστοποιώντας τις απώλειες σε τάση και ρεύμα, καθώς και συρρικνώνοντας και ελαφρύνοντας βασικά εξαρτήματα διαχείρισης μπαταριών, μειώνοντας παράλληλα το μέγεθος και το βάρος.

Καρβίδιο του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι μια αδρανής κεραμική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα. Με βαθμό σκληρότητας Mohs 9, βρίσκεται στην τρίτη θέση μετά το καρβίδιο του βορίου (9,5) και το διαμάντι (10). Το καρβίδιο του πυριτίου έχει υψηλή μηχανική αντοχή, ενώ παραμένει χημικά αδρανές, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές προστασίας σκληρών επιφανειών όπως οι εργαλειομηχανές.

Οι καθαροί νανοσωλήνες άνθρακα περιέχουν τέσσερα άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε τέσσερα τετράεδρα άνθρακα, ομοιοπολικά συνδεδεμένα μεταξύ τους με δεσμούς πυριτίου. Αυτή η διάταξη επιτρέπει τον πολυμορφισμό με διάφορες κρυσταλλικές δομές και φάσεις.

Η κρυσταλλική δομή του SiC έχει ως αποτέλεσμα τις ανώτερες ηλεκτρικές ιδιότητές του, συμπεριλαμβανομένων των χαρακτηριστικών ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης (WBG) που είναι απαραίτητα για τις ηλεκτρονικές εφαρμογές. Ένα μεγαλύτερο χάσμα ζώνης επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να εγκαταλείπουν την τροχιά τους ταχύτερα, οδηγώντας σε υψηλότερες συχνότητες και ταχύτερες λειτουργίες σε σχέση με τις συμβατικές διατάξεις πυριτίου.

Ως βασικό υλικό, το πυρίτιο μπορεί να προστεθεί με άζωτο, φώσφορο, γάλλιο, βόριο και αλουμίνιο για την παραγωγή ημιαγωγών τύπου n. Επιπλέον, τα τρανζίστορ χωρίς πυρίτιο μπορούν να μειώσουν το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας κατά 40%.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) μπορεί να λειτουργήσει έως και 300 βαθμούς Κελσίου, καθιστώντας το μια εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, όπως οι κινητήρες ηλεκτρικών οχημάτων. Το SiC μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για ενεργά συστήματα ψύξης που προσθέτουν βάρος, κόστος και πολυπλοκότητα - γεγονός που μεταφράζεται σε μεγαλύτερη εμβέλεια και ταχύτερους χρόνους φόρτισης για αυτά τα οχήματα.

Ημιαγωγός

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό για τις μοναδικές ηλεκτρικές του ιδιότητες που το καθιστούν ιδιαίτερα χρήσιμο στα ηλεκτρονικά. Οι ημιαγωγοί, οι οποίοι εναλλάσσονται μεταξύ της συμπεριφοράς τους ως αγωγών (όπως τα χάλκινα ηλεκτρικά καλώδια) και μονωτών ( πολυμερής μόνωση που καλύπτει τα καλώδια αυτά), αποτελούν τα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, διακριτών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όπως οι δίοδοι και τα τρανζίστορ, τα οποία οδηγούν τον ηλεκτρισμό υπό ορισμένες συνθήκες- η αγωγιμότητά τους μπορεί ακόμη και να μεταβληθεί μέσω διέγερσης με ηλεκτρικά ρεύματα, ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή φωτεινή διέγερση.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει από τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς έχοντας εξαιρετικά ευρύ χάσμα ζώνης. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται πολύ περισσότερη ενέργεια για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας- κατά συνέπεια, το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει πολύ χαμηλές απώλειες ισχύος - μια ανεκτίμητη ιδιότητα όταν χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλής τάσης, όπως οι αντιστροφείς έλξης ηλεκτρικών οχημάτων.

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό για διάφορες χρήσεις στη βιομηχανία και την ακαδημαϊκή κοινότητα, από κόκκους αμμοβολής και εργαλεία εκτύπωσης καρβορουνδίου μέχρι εφαρμογές θερμικής, ηλεκτρικής και μηχανολογικής μηχανικής. Πρόσφατα, ωστόσο, η ζήτηση έχει εκτοξευθεί στα ύψη λόγω των χαμηλών ποσοστών θερμικής διαστολής, του υψηλού λόγου αντοχής προς σκληρότητα και της ικανότητάς του να αντέχει σε εχθρικά περιβάλλοντα.

Κεραμικό

Το πυρίτιο και ο άνθρακας συνδυάζονται για να δημιουργήσουν ένα ελκυστικό υλικό με εξαιρετικές μηχανικές, χημικές και θερμικές ιδιότητες. Διαθέτει εξαιρετική σκληρότητα - έως και διπλάσια από αυτή του διαμαντιού στην κλίμακα Mohs - καθώς και ανώτερη αντοχή σε θερμικό σοκ σε σχέση με άλλα πυρίμαχα υλικά.

Το κεραμικό αναφέρεται σε ένα ανόργανο, μη μεταλλικό υλικό, το οποίο είναι εξαιρετικά εύκαμπτο όταν είναι άψητο, αλλά σκληραίνει σημαντικά κατά τις διαδικασίες όπτησης. Τα κεραμικά καλύπτουν διάφορες κατηγορίες- για παράδειγμα:

Τα κεραμικά χρησιμοποιούνται κυρίως ως πυρίμαχα υλικά, ανόργανα υλικά που παρέχουν αντοχή στη θερμική και χημική φθορά και στη διάβρωση. Τα κεραμικά υπάρχουν σε όλα τα είδη σχημάτων και χρωμάτων και χρησιμοποιούνται σε όλες τις βιομηχανίες. Σημαντικές χρήσεις για τα βιοκεραμικά περιλαμβάνουν την πυροπροστασία, τους υπεραγωγούς και την πρόκληση βιολογικών αντιδράσεων από τα κύτταρα. Τα βιοενεργά κεραμικά μπορεί να είναι είτε εγγενώς βιοενεργά, είτε μπορούν να γίνουν έτσι μέσω επιφανειακών επεξεργασιών ή πλήρωσης κεραμικών πόρων με φαρμακευτικά ενεργές ουσίες. Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ευρέως για δίσκους φρένων αυτοκινήτων που μειώνουν σημαντικά την τριβή και τις εκπομπές ρύπων, ενώ αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να χρειάζονται ενεργά συστήματα ψύξης που προσθέτουν βάρος, πολυπλοκότητα και κόστος. Επιπλέον, η χρήση του αποτελεί τη βάση πολλών λειαντικών και κοπτικών εργαλείων.

Αυτοκίνητο

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό που κατατάσσεται στην ένατη θέση της κλίμακας Mohs, μεταξύ της αλουμίνας (9) και του διαμαντιού (10). Το καρβίδιο του πυριτίου συντέθηκε για πρώτη φορά τεχνητά από τον Αμερικανό εφευρέτη Edward Acheson το 1891, όταν προσπάθησε να κατασκευάσει τεχνητά διαμάντια, αλλά αντ' αυτού ανακάλυψε μικρούς μαύρους κρυστάλλους SiC στο ηλεκτρικά θερμαινόμενο τήγμα άνθρακα και αλουμίνας που αλέστηκε σε μορφή σκόνης για βιομηχανικά λειαντικά. Ο βραβευμένος με Νόμπελ χημικός Henri Moissan παρατήρησε την ένωση με φυσικό τρόπο ως διαφανές ορυκτό που ονομάστηκε μοισσανίτης το 1905.

Η μοναδική ατομική δομή του καρβιδίου του πυριτίου και οι ιδιότητες του ημιαγωγού το καθιστούν ιδανικό για ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως δίοδοι, τρανζίστορ και συσκευές ισχύος. Έχει δέκα φορές μεγαλύτερη αντίσταση στην τάση από το παραδοσιακό πυρίτιο και αποδίδει ακόμη καλύτερα σε συστήματα που υπερβαίνουν τα 1000V, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για την κάλυψη των απαιτήσεων υψηλής τάσης που σχετίζονται με τους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων (EV) και τα συστήματα διαχείρισης ενέργειας.

Το SiC μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αποδοτικότητα μεταγωγής, ενώ παράλληλα συμβάλλει στη μείωση του μεγέθους και του βάρους βασικών εξαρτημάτων EV, όπως οι μετατροπείς DC-to-DC, οι φορτιστές και τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών. Αυτές οι εξελίξεις θα μπορούσαν να φέρουν την οδήγηση χωρίς εκπομπές πιο κοντά στη μαζική υιοθέτηση. Η ανάλυση της GlobalData εντοπίζει πάνω από 10 εταιρείες - από προμηθευτές τεχνολογίας και καθιερωμένες εταιρείες αυτοκινητοβιομηχανίας έως ανερχόμενες νεοφυείς επιχειρήσεις - που χρησιμοποιούν καρβίδιο του πυριτίου για καινοτόμες λύσεις.