Piikarbidin määritelmä

Piikarbidi (SiC) on kova, synteettisesti tuotettu kiteinen yhdiste, jota käytetään laajalti hankaavana ja kulutusta kestävänä materiaalina, tulenkestävissä materiaaleissa ja keramiikkasovelluksissa sekä valodiodien (LED) puolijohdealustana.

EFM-puolijohteet ovat myös perinteisiä piipuolijohteita parempia korkeajänniteympäristöissä, kuten sähköajoneuvojen (EV) teholaitteissa, ja ne tarjoavat ylivoimaista suorituskykyä minimoimalla jännite- ja virtahäviöt sekä kutistamalla ja keventämällä olennaisia akunhallintakomponentteja samalla kun niiden koko ja paino pienenevät.

Piikarbidi

Piikarbidi on piistä ja hiilestä koostuva inertti keraaminen yhdiste. Mohsin kovuusluokituksen ollessa 9 se on kolmanneksi kovin boorikarbidin (9,5) ja timantin (10) jälkeen. Piikarbidilla on suuri mekaaninen kestävyys, mutta se on kemiallisesti inertti, joten se soveltuu erinomaisesti kovien pintojen suojaukseen, kuten työstökoneisiin.

Puhtaat hiilinanoputket sisältävät neljä hiiliatomia, jotka on järjestetty neljään hiilitetraedriin, jotka ovat kovalenttisesti sidoksissa toisiinsa piisidoksilla. Tämä järjestely mahdollistaa polymorfismin, jossa on erilaisia kiderakenteita ja faaseja.

SiC:n kiderakenne johtaa sen ylivoimaisiin sähköisiin ominaisuuksiin, mukaan lukien elektroniikkasovellusten kannalta olennaiset laajan kaistaleveyden puolijohdeominaisuudet (WBG). Laajemman kaistanraon ansiosta elektronit voivat poistua kiertoradalta nopeammin, mikä johtaa korkeampiin taajuuksiin ja nopeampiin toimintoihin kuin perinteisissä piilaitteissa.

Perusmateriaalina pii voidaan seostaa typellä, fosforilla, galliumilla, boorilla ja alumiinilla, jolloin saadaan n-tyypin puolijohteita. Lisäksi piittömät transistorit voivat vähentää kustannuksia ja virrankulutusta jopa 40%.

Piikarbidi (SiC) voi toimia jopa 300 celsiusasteen lämpötilassa, mikä tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan sovelluksiin korkeissa lämpötiloissa, kuten sähköajoneuvojen moottoreissa. SiC:llä voidaan poistaa aktiivisten jäähdytysjärjestelmien tarve, jotka lisäävät painoa, kustannuksia ja monimutkaisuutta, mikä merkitsee suurempaa toimintasädettä ja nopeampia latausaikoja näissä ajoneuvoissa.

Puolijohde

Piikarbidi on jo pitkään tunnettu ainutlaatuisista sähköisistä ominaisuuksistaan, jotka tekevät siitä erittäin käyttökelpoisen elektroniikassa. Puolijohteet, jotka toimivat vuorotellen johtimina (kuten kupariset sähköjohdot) ja eristeinä (näitä johtoja peittävä polymeerieriste), muodostavat puolijohdemateriaalit, joita käytetään integroitujen piirien, erillisten elektroniikkakomponenttien, kuten diodien ja transistorien, rakentamiseen, jotka johtavat sähköä tietyissä olosuhteissa; niiden johtavuutta voidaan jopa muuttaa stimuloimalla niitä sähkövirroilla, sähkömagneettisilla kentillä tai valon avulla.

Piikarbidi eroaa perinteisistä puolijohteista, koska sillä on erittäin laaja kaistanleveys. Tämä tarkoittaa, että elektronien siirtäminen valenssikaistasta johtokaistalle vaatii paljon enemmän energiaa; näin ollen piikarbidin tehohäviöt ovat erittäin pienet - tämä on korvaamaton ominaisuus, kun sitä käytetään korkeajännitesovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen vetovaihtosuuntaajissa.

Piikarbidia on jo pitkään hyödynnetty erilaisiin käyttötarkoituksiin teollisuudessa ja tiedemaailmassa, aina räjäytyshiukkasista ja karborundum-painotyökaluista lämpö-, sähkö- ja konetekniikan sovelluksiin. Viime aikoina kysyntä on kuitenkin kasvanut huimasti, koska sen lämpölaajeneminen on vähäistä, lujuus-kovuus-suhde on korkea ja se kestää vihamielisiä ympäristöjä.

Keraaminen

Pii ja hiili muodostavat yhdessä houkuttelevan materiaalin, jolla on erinomaiset mekaaniset, kemialliset ja lämpöominaisuudet. Sillä on äärimmäinen kovuus - Mohsin asteikolla jopa kaksinkertainen timanttiin verrattuna - sekä muihin tulenkestäviin materiaaleihin verrattuna erinomainen lämpöshokkien kestävyys.

Keraamisella tarkoitetaan epäorgaanista, ei-metallista materiaalia, joka on erittäin joustavaa polttamattomana, mutta kovettuu merkittävästi polttoprosessin aikana. Keraamiset aineet kuuluvat eri luokkiin; esimerkiksi:

Keramiikkaa käytetään pääasiassa tulenkestävinä aineina, epäorgaanisina materiaaleina, jotka kestävät lämpöä ja kemiallista kulumista sekä korroosiota. Keramiikkaa on kaikenlaisia muotoja ja värejä, ja sitä käytetään eri teollisuudenaloilla. Biokeramiikan tärkeitä käyttökohteita ovat muun muassa palosuojaus, suprajohteet ja solujen biologisten reaktioiden aikaansaaminen. Bioaktiivinen keramiikka voi olla joko luonnostaan bioaktiivista tai siitä voidaan tehdä bioaktiivista pintakäsittelyllä tai täyttämällä keraamiset huokoset farmaseuttisesti aktiivisilla aineilla. Piikarbidia käytetään laajalti autojen jarrulevyissä, jotka vähentävät merkittävästi kitkaa ja päästöjä ja kestävät korkeita lämpötiloja ilman aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka lisäävät painoa, monimutkaisuutta ja kustannuksia. Lisäksi sen käyttö muodostaa perustan monille hioma- ja leikkaustyökaluille.

Autoteollisuus

Piikarbidi (SiC) on erittäin sitkeä materiaali, joka sijoittuu Mohsin asteikolla yhdeksänneksi, alumiinioksidin (9) ja timantin (10) väliin. Piikarbidia syntetisoi ensimmäisen kerran keinotekoisesti yhdysvaltalainen keksijä Edward Acheson vuonna 1891, kun hän yritti valmistaa keinotekoisia timantteja, mutta sen sijaan hän löysi hiilen ja alumiinioksidin sähköllä lämmitetystä sulasta pieniä mustia SiC-kiteitä, jotka jauhettiin jauheeksi teollisia hioma-aineita varten. Nobel-palkittu kemisti Henri Moissan havaitsi yhdisteen luonnossa läpinäkyvänä mineraalina nimeltä moissanite vuonna 1905.

Piikarbidin ainutlaatuinen atomirakenne ja puolijohdeominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen elektronisiin sovelluksiin, kuten diodeihin, transistoreihin ja teholaitteisiin. Sen jännitekestävyys on kymmenen kertaa suurempi kuin perinteisen piin, ja se toimii vielä paremmin yli 1000 voltin järjestelmissä, joten se on ihanteellinen materiaali sähköautojen latausasemien ja energianhallintajärjestelmien korkeajännitevaatimusten täyttämiseen.

SiC voi parantaa merkittävästi kytkentätehokkuutta ja auttaa samalla pienentämään sähköautojen keskeisten komponenttien, kuten DC-DC-muuntimien, sisäisten latureiden ja akunhallintajärjestelmien, kokoa ja painoa. Nämä edistysaskeleet voivat tuoda päästöttömän autoilun lähemmäksi massakäyttöä. GlobalDatan analyysi osoittaa, että yli 10 yritystä - teknologiatoimittajista ja vakiintuneista autoteollisuuden yrityksistä nouseviin uusiin yrityksiin - käyttää piikarbidia innovatiivisiin ratkaisuihin.