Ränikarbiidi määratlus

Ränikarbiid (SiC) on kõva, sünteetiliselt toodetud kristalliline ühend, mida kasutatakse laialdaselt abrasiiv- ja kulumiskindla materjalina, tulekindlate materjalide ja keraamika valdkonnas, samuti valgusdioodide (LED) pooljuhtsubstraadina.

EFM-pooljuhid ületasid traditsioonilisi räni-pooljuhte ka kõrgepinge keskkondades, nagu need, mida leidub elektrisõidukite (EV) võimsusseadmetes, pakkudes paremat jõudlust, vähendades pinge- ja voolukadusid ning muutes olulised akuhalduskomponendid väiksemaks ja kergemaks, samal ajal vähendades seadmete suurust ja kaalu.

Ränikarbiid

Ränikarbiid on inertne keraamiline ühend, mis koosneb ränist ja süsinikust. Selle Mohsi kõvadus on 9, millega see on kõvaduselt kolmas, jäädes maha vaid boorkarbiidist (9,5) ja teemandist (10). Ränikarbiidil on kõrge mehaaniline vastupidavus, samas on see keemiliselt inertne; seetõttu sobib see ideaalselt kõvade pindade kaitsmiseks, näiteks tööpinkidel.

Puhtad süsiniknanotorud sisaldavad nelja süsiniku aatomit, mis on paigutatud nelja süsinikutetraedri kujul ja omavahel kovalentselt seotud räni sidemetega. Selline paigutus võimaldab polümorfismi, mille puhul esinevad erinevad kristallstruktuurid ja faasid.

SiC kristallstruktuur tagab sellele suurepärased elektrilised omadused, sealhulgas laia keelualaga pooljuhtide (WBG) omadused, mis on elektroonilistes rakendustes hädavajalikud. Suurem keeluala võimaldab elektronidel orbiidilt kiiremini lahkuda, mis tagab kõrgemad sagedused ja kiirema töö kui tavapärastel räni-seadmetel.

Põhimaterjalina võib räni legeerida lämmastiku, fosfori, galliumi, boori ja alumiiniumiga, et toota n-tüüpi pooljuhte. Lisaks võivad räni-vabad transistorid vähendada kulusid ja energiatarbimist koguni 40% võrra.

Ränikarbiid (SiC) talub temperatuuri kuni 300 °C, mistõttu on see suurepärane materjalivalik kasutamiseks kõrgtemperatuurilistes keskkondades, näiteks elektrisõidukite mootorites. SiC võimaldab loobuda aktiivsetest jahutussüsteemidest, mis suurendavad kaalu, kulusid ja keerukust – see omakorda tähendab nende sõidukite jaoks suuremat sõiduulatust ja kiiremat laadimisaega.

Pooljuht

Ränikarbiid on juba ammu tuntud oma ainulaadsete elektriliste omaduste poolest, mis muudavad selle elektroonikas äärmiselt kasulikuks. Pooljuhid, mis vaheldumisi käituvad nagu juhtivad materjalid (nt vasest elektrijuhtmed) ja isolatsioonimaterjalid (neid juhtmeid kattev polümeerne isolatsioon), moodustavad pooljuhtmaterjalid, mida kasutatakse integraallülituste ja diskreetkomponentide, nagu dioodid ja transistorid, valmistamiseks, mis juhivad elektrit teatud tingimustel; nende juhtivust on isegi võimalik muuta elektrivoolu, elektromagnetväljade või valguse abil.

Ränikarbiid eristub traditsioonilistest pooljuhtidest oma äärmiselt laia keeluvööndi poolest. See tähendab, et elektronide liikumiseks valentsvööndist juhtivusvööndisse on vaja palju rohkem energiat; seetõttu on ränikarbiidil väga väikesed võimsuskadud – see on hindamatu omadus, kui seda kasutatakse kõrgepinge rakendustes, nagu näiteks elektrisõidukite veojõu inverterites.

Ränikarbiidi on juba pikka aega kasutatud mitmesugustel eesmärkidel tööstuses ja teaduses – alates liivapuhastusliivast ja karborundist valmistatud graafikavahenditest kuni soojus-, elektri- ja masinaehituse rakendusteni. Viimasel ajal on nõudlus selle järele aga järsult kasvanud tänu selle madalale soojuspaisumiskoefitsiendile, suurele tugevuse ja kõvaduse suhtele ning võimele taluda vaenulikke keskkondi.

Keraamika

Räni ja süsiniku ühendamisel tekib atraktiivne materjal, millel on suurepärased mehaanilised, keemilised ja termilised omadused. See paistab silma äärmusliku kõvadusega – Mohsi skaalal koguni kaks korda suurem kui teemantil – ning teiste tulekindlate materjalidega võrreldes suurepärase termilise šoki vastupidavusega.

Keraamika on anorgaaniline, mittemetalliline materjal, mis on põletamata olekus äärmiselt paindlik, kuid kõveneb põletamisprotsessi käigus märkimisväärselt. Keraamika hõlmab mitmesuguseid kategooriaid, näiteks:

Keraamikat kasutatakse peamiselt tulekindlate materjalidena – need on anorgaanilised materjalid, mis on vastupidavad kuumusele, keemilisele kulumisele ja korrosioonile. Keraamikat leidub igasugustes vormides ja värvides ning seda kasutatakse paljudes tööstusharudes. Biokeraamika oluliste kasutusvaldkondade hulka kuuluvad tulekahjukaitsetooted, ülijuhtivad materjalid ja rakkudest bioloogiliste reaktsioonide esilekutsumine. Bioaktiivne keraamika võib olla kas loomulikult bioaktiivne või selliseks muudetud pinnatöötluse abil või keraamiliste pooride täitmisega farmatseutiliselt aktiivsete ainete abil. Ränikarbiidi kasutatakse laialdaselt autode pidurikettades, mis vähendavad märkimisväärselt hõõrdumist ja heitgaase, taludes samal ajal kõrgeid temperatuure ilma aktiivse jahutussüsteemita, mis suurendaksid kaalu, keerukust ja kulusid. Lisaks on selle kasutamine paljude abrasiivide ja lõikeriistade aluseks.

Autotööstus

Ränikarbiid (SiC) on äärmiselt tugev materjal, mis asub Mohsi skaalal üheksandal kohal, alumiiniumoksiidi (9) ja teemanti (10) vahel. Ränikarbiidi sünteesis esmakordselt kunstlikult Ameerika leiutaja Edward Acheson 1891. aastal, kui ta püüdis valmistada tehisdiamante, kuid avastas selle asemel oma elektriliselt kuumutatud süsiniku ja alumiiniumoksiidi sulamis väikeseid musti SiC-kristalle, mis jahvatati pulbriks tööstuslike abrasiivide valmistamiseks. Nobeli preemia võitnud keemik Henri Moissan avastas selle ühendi looduslikult läbipaistva mineraalina, mida nimetatakse moissanitiks, aastal 1905.

Ränikarbiidi ainulaadne aatomstruktuur ja pooljuhtomadused muudavad selle ideaalseks elektroonilistes rakendustes, nagu dioodid, transistorid ja võimsusseadmed. Selle pingetaluvus on kümme korda suurem kui traditsioonilisel räni puhul ning see toimib veelgi paremini süsteemides, kus pinge ületab 1000 V, mistõttu on see ideaalne materjal elektrisõidukite (EV) laadimisjaamade ja energiahaldussüsteemidega seotud kõrgepinge nõuete täitmiseks.

SiC võib märkimisväärselt parandada lülitustõhusust, aidates samal ajal vähendada elektriautode oluliste komponentide, nagu DC-DC-muundurite, pardalaadijate ja akuhaldussüsteemide suurust ja kaalu. Need edusammud võivad tuua heitgaasivaba sõidu massilisele kasutuselevõtule lähemale. GlobalData analüüs toob esile üle 10 ettevõtte – alates tehnoloogia tarnijatest ja tunnustatud autotootjatest kuni tõusvate idufirmadeni –, kes kasutavad ränikarbiidi uuenduslike lahenduste loomiseks.