Definicija silicijevog karbida

Karbid silicija (SiC) je tvrda, sintetički proizvedena kristalna spojina koja se široko koristi kao abrazivni i otporni materijal na habanje, u primjenama u vatrostalnim materijalima i keramici, kao i kao poluvodički podloga za diode koje emitiraju svjetlost (LED).

EFM poluvodiči također su nadmašili tradicionalne silicijske poluvodiče u visokonaponskim okruženjima poput onih u elektroničkim uređajima za napajanje električnih vozila (EV), pružajući vrhunske performanse smanjenjem gubitaka napona i struje te smanjenjem veličine i težine ključnih komponenti za upravljanje baterijama.

Silikon karbid

Karbid silicija je inertni keramički spoj silicija i ugljika. S tvrdoćom po Mohsu od 9, treći je po tvrdoći, odmah iza borovog karbida (9,5) i dijamanta (10). Karbid silicija ima visoku mehaničku izdržljivost, a istovremeno je kemijski inertan, što ga čini idealnim za zaštitu tvrdih površina, poput strojnih alata.

Čiste karbonske nanocijevi sadrže četiri atoma ugljika raspoređena u četiri karbonska tetraedra, kovalentno povezana silicijskim vezama. Ovaj raspored omogućuje polimorfizam s različitim kristalnim strukturama i fazama.

Kristalna struktura SiC-a rezultira njegovim vrhunskim električnim svojstvima, uključujući karakteristike širokopojasnog poluvodiča (WBG) ključne za elektroničke primjene. Veći razmak energetskih razina omogućuje elektronima brži napuštanje orbite, što dovodi do viših frekvencija i bržeg rada u usporedbi s konvencionalnim silicijskim uređajima.

Kao osnovni materijal, silicij se može dopirati dušikom, fosforom, galijem, borom i aluminijem kako bi se proizveli n-tip poluvodiči. Nadalje, silicijem bez transistora može se smanjiti trošak i potrošnja energije za čak 40%.

Karbid silicija (SiC) može raditi do 300 °C, što ga čini izvrsnim materijalom za primjene u visokotemperaturnim okruženjima poput motora električnih vozila. SiC može eliminirati potrebu za aktivnim sustavima hlađenja koji dodaju težinu, troškove i složenost – što se prevodi u veću autonomiju i brže vrijeme punjenja tih vozila.

Poluvodič

Karbid silicija odavno je prepoznat po svojim jedinstvenim električnim svojstvima koja ga čine izuzetno korisnim u elektronici. Poluvodiči, koji se izmjenjuju u ponašanju između provodnika (poput bakrenih električnih vodova) i izolatora (polimerne izolacije koja obavija te žice), čine skupinu poluvodičnih materijala koji se koriste za izradu integriranih sklopova i diskretnih elektroničkih komponenti poput dioda i tranzistora, koji provode električnu energiju pod određenim uvjetima; njihova provodnost može se čak mijenjati stimulacijom električnim strujama, elektromagnetskim poljima ili svjetlosnom stimulacijom.

Silikon karbid se od tradicionalnih poluvodiča ističe izuzetno širokim razmakom bannovih pojaseva. To znači da je potrebno mnogo više energije za premještanje elektrona iz valentnog u vodljivi pojas; posljedično, silikon karbid se odlikuje vrlo niskim gubicima snage – neprocjenjivom kvalitetom pri primjeni u visokonaponskim sustavima, poput pogonskih pretvarača u električnim vozilima.

Karbid silicija već dugo se koristi u industriji i akademskoj zajednici za razne namjene, od pijeska za pjeskarenje i karborundumskih alata za tisak do primjena u termalnom, električnom i mehaničkom inženjerstvu. Međutim, u posljednje vrijeme potražnja je naglo porasla zbog niske stope toplinske ekspanzije, visokog omjera čvrstoće i tvrdoće te sposobnosti da izdrži agresivna okruženja.

Keramički

Silicij i ugljik kombiniraju se kako bi proizveli privlačan materijal s izvrsnim mehaničkim, kemijskim i toplinskim svojstvima. Odlikuje ga izuzetna tvrdoća – čak dvostruko veća od dijamanta na Mohsovoj ljestvici – kao i vrhunska otpornost na toplinski šok u usporedbi s drugim refraktorima.

Keramika označava anorganski, nemetalni materijal koji je izuzetno savitljiv prije pečenja, ali se značajno stvrdne tijekom procesa pečenja. Keramika obuhvaća različite kategorije; na primjer:

Keramika se primarno koristi kao refrakterni materijali, neorganski materijali koji pružaju otpornost na toplinsko i kemijsko trošenje te koroziju. Keramika dolazi u svim vrstama oblika i boja te se koristi u raznim industrijama. Važne primjene biokeramike uključuju zaštitu od požara, superprovodnike i poticanje bioloških odgovora stanica. Bioaktivna keramika može biti urođeno bioaktivna ili se takvom može učiniti površinskim tretmanima ili punjenjem keramičkih pora farmaceutski aktivnim tvarima. Karbid silicija široko se koristi za automobilsku kočionu ploču koja značajno smanjuje trenje i emisije, a istovremeno podnosi visoke temperature bez potrebe za aktivnim sustavima hlađenja koji dodaju težinu, složenost i troškove. Nadalje, njegova upotreba čini osnovu mnogih abraziva i reznog alata.

Automobilski

Karbid silicija (SiC) je izuzetno tvrd materijal, rangiran na devetom mjestu na Mohsovoj skali, između alumine (9) i dijamanta (10). Karbid silicija prvi je umjetno sintetizirao američki izumitelj Edward Acheson 1891. godine, pokušavajući proizvesti umjetne dijamante, no umjesto toga u svom električno zagrijanom taljenju ugljika i alumine otkrio je male crne kristale SiC-a koji su se potom usitnili u prah za industrijska abraziva. Nobelovac kemičar Henri Moissan 1905. godine prirodno je opazio spoj kao prozirni mineral nazvan moissanit.

Jedinstvena atomska struktura i poluvodička svojstva karbida silicija čine ga idealnim za elektroničke primjene poput dioda, tranzistora i snage uređaja. Ima deset puta veću otpornost na napon od tradicionalnog silicija i još bolje se ponaša u sustavima s naponom višim od 1000 V, što ga čini idealnim materijalom za zadovoljavanje zahtjeva visokog napona povezanih s punionicama električnih vozila (EV) i sustavima za upravljanje energijom.

SiC može značajno poboljšati učinkovitost prebacivanja, a istovremeno pomoći u smanjenju veličine i težine ključnih komponenti električnih vozila, kao što su DC-DC pretvarači, ugrađeni punjači i sustavi za upravljanje baterijama. Ovi napredci mogli bi približiti vožnju bez emisija masovnoj primjeni. Analiza GlobalData identificira više od 10 tvrtki – od dobavljača tehnologije i etabliranih automobilskih proizvođača do novih startupa – koje koriste karbid silicija za inovativna rješenja.