Silīcija karbīda definīcija

Silīcija karbīds (SiC) ir ciets, sintētiski iegūts kristālisks savienojums, ko plaši izmanto kā abrazīvu un nodilumizturīgu materiālu, ugunsizturīgos materiālos un keramikā, kā arī kā pusvadītāju substrātu gaismas diodēm (LED).

EFM pusvadītāji pārspēja tradicionālos silīcija pusvadītājus arī augstsprieguma vidēs, piemēram, elektromobiļu (EV) barošanas ierīcēs, nodrošinot augstāku veiktspēju, samazinot sprieguma un strāvas zudumus, kā arī samazinot un atvieglojot būtiskus akumulatora vadības komponentus, vienlaikus samazinot to izmēru un svaru.

Silīcija karbīds

Silīcija karbīds ir inerts keramikas savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa. Tā cietības rādītājs pēc Mosa skalas ir 9, un tas ierindojas trešajā vietā aiz bora karbīda (9,5) un dimanta (10). Silīcija karbīdam ir augsta mehāniskā izturība, vienlaikus saglabājot ķīmisko inerci, tāpēc tas ir ideāli piemērots cietu virsmu aizsardzībai, piemēram, darbgaldiem.

Tīras oglekļa nanocaurulītes satur četrus oglekļa atomus, kas sakārtoti četros oglekļa tetraedros, kovalenti savienoti ar silīcija saitēm. Šāds izvietojums ļauj rasties polimorfismam ar dažādām kristāliskajām struktūrām un fāzēm.

SiC kristāliskās struktūras dēļ tam piemīt izcilas elektriskās īpašības, tostarp plaša joslas spraugas pusvadītāja (WBG) īpašības, kas ir būtiskas elektroniskiem lietojumiem. Lielāka joslas sprauga ļauj elektroniem ātrāk atstāt orbītu, tādējādi nodrošinot augstākas frekvences un ātrāku darbību nekā parastajās silīcija ierīcēs.

Kā pamatmateriālu silīciju var leģēt ar slāpekli, fosforu, galliju, boru un alumīniju, lai iegūtu n tipa pusvadītājus. Turklāt tranzistori bez silīcija var samazināt izmaksas un enerģijas patēriņu līdz pat 40%.

Silīcija karbīds (SiC) var darboties līdz 300 grādiem pēc C, tāpēc tas ir lielisks materiāls, ko var izmantot augsttemperatūras vidē, piemēram, elektrisko transportlīdzekļu dzinējos. SiC var novērst vajadzību pēc aktīvām dzesēšanas sistēmām, kas palielina svaru, izmaksas un sarežģītību, tādējādi palielinot šo transportlīdzekļu darbības diapazonu un saīsinot uzlādes laiku.

Pusvadītāju

Silīcija karbīds jau sen ir pazīstams ar savām unikālajām elektriskajām īpašībām, kas padara to ļoti noderīgu elektronikā. Pusvadītāji, kas pārmaiņus darbojas kā vadītāji (piemēram, vara elektrības vadi) un izolatori (polimēru izolācija, kas pārklāj šos vadus), veido pusvadītāju materiālus, ko izmanto integrālās shēmas, diskrētos elektroniskos komponentus, piemēram, diodes un tranzistorus, kuri noteiktos apstākļos vada elektrību; to vadītspēju var pat mainīt, stimulējot ar elektrisko strāvu, elektromagnētisko lauku vai gaismas stimulāciju.

Silīcija karbīds atšķiras no tradicionālajiem pusvadītājiem ar ārkārtīgi plašu joslas spraugu. Tas nozīmē, ka elektronu pārvietošanai no valences joslas uz vadītspējas joslu ir nepieciešams daudz vairāk enerģijas; līdz ar to silīcija karbīds var lepoties ar ļoti zemiem enerģijas zudumiem - nenovērtējama īpašība, ja to izmanto augstsprieguma lietojumos, piemēram, elektromobiļu vilces inverteros.

Silīcija karbīds jau sen tiek izmantots dažādiem lietojumiem rūpniecībā un zinātnē, sākot no spridzināšanas smilšu un karborunda drukas rīkiem līdz siltuma, elektrotehnikas un mašīnbūves lietojumiem. Tomēr pēdējā laikā pieprasījums ir strauji pieaudzis, jo karbīds ir zems termiskās izplešanās koeficients, augsta stiprības un cietības attiecība un spēja izturēt naidīgu vidi.

Keramika

Silīcija un oglekļa kombinācija veido pievilcīgu materiālu ar lieliskām mehāniskām, ķīmiskām un termiskām īpašībām. Tas var lepoties ar ārkārtīgu cietību - pat divas reizes lielāku nekā dimants pēc Mosa skalas -, kā arī ar izcilu termisko triecienizturību salīdzinājumā ar citiem ugunsizturīgajiem materiāliem.

Keramika ir neorganisks, nemetālisks materiāls, kas ir ļoti elastīgs, kad nav apdedzināts, bet apdedzināšanas procesā ievērojami sacietē. Keramika ietilpst dažādās kategorijās, piemēram:

Keramiku galvenokārt izmanto kā ugunsizturīgus neorganiskus materiālus, kas nodrošina izturību pret karstuma un ķīmisko nodilumu un koroziju. Keramika ir visdažādāko formu un krāsu, un to izmanto dažādās nozarēs. Nozīmīgi biokeramikas izmantošanas veidi ir ugunsdrošība, supravadītāji un šūnu bioloģisko reakciju izraisīšana. Bioaktīvā keramika var būt bioloģiski aktīva pati par sevi vai arī to var padarīt bioloģiski aktīvu, veicot virsmas apstrādi vai piepildot keramikas poras ar farmaceitiski aktīvām vielām. Silīcija karbīdu plaši izmanto automobiļu bremžu diskiem, kas ievērojami samazina berzi un emisijas, vienlaikus izturot augstas temperatūras un bez aktīvām dzesēšanas sistēmām, kas palielina svaru, sarežģītību un izmaksas. Turklāt tā izmantošana ir daudzu abrazīvu un griezējinstrumentu pamatā.

Automobiļu nozare

Silīcija karbīds (SiC) ir ārkārtīgi izturīgs materiāls, kas pēc Mosa skalas ierindojas devītajā vietā starp alumīnija oksīdu (9) un dimantu (10). Silicija karbīdu pirmo reizi mākslīgi sintezēja amerikāņu izgudrotājs Edvards Ačons 1891. gadā, kad mēģināja izgatavot mākslīgos dimantus, bet tā vietā viņa elektriski karsētā oglekļa un alumīnija oksīda kausējumā atklāja mazus melnus SiC kristālus, kas tika samalti pulvera veidā rūpniecisko abrazīvu ražošanai. Nobela prēmijas laureāts ķīmiķis Anrī Moisāns 1905. gadā novēroja šo savienojumu dabā kā caurspīdīgu minerālu, ko nosauca par moisanītu.

Silīcija karbīda unikālā atomu struktūra un pusvadītāju īpašības padara to ideāli piemērotu tādiem elektroniskiem lietojumiem kā diodes, tranzistori un enerģijas ierīces. Tam ir desmit reizes lielāka sprieguma pretestība nekā tradicionālajam silīcijam, un tas darbojas vēl labāk sistēmās, kas pārsniedz 1000 V, tāpēc tas ir ideāls materiāls, lai apmierinātu augstsprieguma prasības, kas saistītas ar elektrisko transportlīdzekļu (EV) uzlādes stacijām un enerģijas pārvaldības sistēmām.

SiC var ievērojami uzlabot komutācijas efektivitāti, vienlaikus palīdzot samazināt svarīgāko elektromobiļu komponentu, piemēram, līdzstrāvas maiņas pārveidotāju, borta lādētāju un akumulatoru vadības sistēmu, izmēru un svaru. Šie sasniegumi varētu pietuvināt bezizmešu braukšanu līdz masveida ieviešanai. GlobalData analīzē ir identificēti vairāk nekā 10 uzņēmumi - sākot no tehnoloģiju piegādātājiem un atzītiem automobiļu ražošanas uzņēmumiem līdz pat topošajiem jaunuzņēmumiem -, kas izmanto silīcija karbīdu inovatīviem risinājumiem.