Silisiumkarbid Definisjon

Silisiumkarbid (SiC) er en hard, syntetisk fremstilt krystallinsk forbindelse som er mye brukt som slipemiddel og slitesterkt materiale, i ildfaste materialer og keramikk, samt som halvledersubstrat for lysdioder (LED).

EFM-halvledere overgikk også tradisjonelle silisiumhalvledere i høyspenningsmiljøer, som de man finner i strømforsyningsenheter i elbiler, og ga overlegen ytelse ved å minimere spennings- og strømtap samt krympe og lette viktige batteristyringskomponenter samtidig som størrelsen og vekten ble redusert.

Silisiumkarbid

Silisiumkarbid er en inert keramisk forbindelse som består av silisium og karbon. Med en Mohs-hardhetsgrad på 9 ligger det på tredjeplass etter borkarbid (9,5) og diamant (10). Silisiumkarbid har høy mekanisk holdbarhet samtidig som det er kjemisk inert, noe som gjør det perfekt for beskyttelse av harde overflater, for eksempel på maskinverktøy.

Rene karbonnanorør inneholder fire karbonatomer ordnet i fire karbontetraedre, kovalent bundet sammen av silisiumbindinger. Dette arrangementet muliggjør polymorfisme med ulike krystallstrukturer og faser.

SiCs krystallinske struktur gir overlegen elektriske egenskaper, blant annet halvlederegenskaper med bredt båndgap (WBG), som er avgjørende for elektroniske bruksområder. Et større båndgap gjør at elektronene kan forlate banen raskere, noe som fører til høyere frekvenser og raskere drift enn med konvensjonelle silisiumenheter.

Silisium kan dopes med nitrogen, fosfor, gallium, bor og aluminium for å produsere halvledere av n-typen. Dessuten kan silisiumfrie transistorer redusere kostnadene og strømforbruket med så mye som 40%.

Silisiumkarbid (SiC) kan fungere i temperaturer opp til 300 °C, noe som gjør det til et utmerket materialvalg for bruksområder i miljøer med høye temperaturer, som for eksempel elbilmotorer. SiC kan eliminere behovet for aktive kjølesystemer, som øker vekten, kostnadene og kompleksiteten - noe som betyr større rekkevidde og raskere ladetid for disse kjøretøyene.

Halvleder

Silisiumkarbid har lenge vært kjent for sine unike elektriske egenskaper, som gjør det svært nyttig i elektronikk. Halvledere, som veksler mellom å fungere som ledere (som elektriske ledninger av kobber) og isolatorer (polymerisolasjon som dekker disse ledningene), utgjør halvledermaterialer som brukes til å konstruere integrerte kretser, diskrete elektroniske komponenter som dioder og transistorer, som leder elektrisitet under visse forhold; ledningsevnen deres kan til og med endres via stimulering med elektrisk strøm, elektromagnetiske felt eller lysstimulering.

Silisiumkarbid skiller seg ut fra tradisjonelle halvledere ved å ha et ekstremt bredt båndgap. Det betyr at det krever mye mer energi å flytte elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, og silisiumkarbid kan derfor skilte med svært lave effekttap - en uvurderlig egenskap når det brukes til høyspenningsapplikasjoner, som for eksempel traksjonsomformere i elektriske kjøretøy.

Silisiumkarbid har lenge vært brukt til ulike formål i industrien og den akademiske verden, fra sandblåsing og karborundumverktøy til termiske, elektriske og maskintekniske anvendelser. I det siste har imidlertid etterspørselen skutt i været på grunn av den lave termiske ekspansjonshastigheten, det høye forholdet mellom styrke og hardhet og evnen til å motstå fiendtlige miljøer.

Keramikk

Kombinasjonen av silisium og karbon gir et attraktivt materiale med utmerkede mekaniske, kjemiske og termiske egenskaper. Det kan skilte med ekstrem hardhet - så mye som det dobbelte av diamant på Mohs' skala - samt overlegen motstand mot termisk sjokk sammenlignet med andre ildfaste materialer.

Keramikk er et uorganisk, ikke-metallisk materiale som er ekstremt fleksibelt i ubrent tilstand, men som stivner betydelig under brenningsprosessen. Keramikk dekker ulike kategorier, for eksempel:

Keramikk brukes først og fremst som ildfaste materialer, uorganiske materialer som gir motstand mot varme og kjemisk slitasje og korrosjon. Keramikk finnes i alle mulige former og farger og brukes på tvers av bransjer. Viktige bruksområder for biokeramikk omfatter brannbeskyttelse, superledere og indusering av biologiske responser fra celler. Bioaktive keramer kan enten være bioaktive i seg selv, eller de kan gjøres bioaktive ved hjelp av overflatebehandling eller ved å fylle keramiske porer med farmasøytisk aktive stoffer. Silisiumkarbid er mye brukt i bremseskiver til biler, som reduserer friksjonen og utslippene betydelig, samtidig som de tåler høye temperaturer uten behov for aktive kjølesystemer som øker vekt, kompleksitet og kostnader. I tillegg danner silisiumkarbid grunnlaget for mange slipemidler og skjæreverktøy.

Bilindustrien

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt seigt materiale som er rangert som nummer ni på Mohs-skalaen, mellom aluminiumoksid (9) og diamant (10). Silisiumkarbid ble først syntetisert kunstig av den amerikanske oppfinneren Edward Acheson i 1891, da han forsøkte å fremstille kunstige diamanter, men i stedet oppdaget små svarte krystaller av SiC i den elektrisk oppvarmede smelten av karbon og aluminiumoksid, som ble malt til pulverform for industrielle slipemidler. Nobelprisvinneren i kjemi Henri Moissan observerte forbindelsen naturlig som et gjennomsiktig mineral kalt moissanitt i 1905.

Silisiumkarbid har en unik atomstruktur og halvlederegenskaper som gjør det ideelt for elektroniske bruksområder som dioder, transistorer og kraftenheter. Det har ti ganger større spenningsmotstand enn tradisjonelt silisium og presterer enda bedre i systemer med spenninger på over 1000 V, noe som gjør det til det ideelle materialet for å oppfylle de høye spenningskravene som stilles til ladestasjoner for elbiler og energistyringssystemer.

SiC kan forbedre koblingseffektiviteten betydelig, samtidig som det kan bidra til å redusere størrelsen og vekten på viktige komponenter i elbiler, som likestrøm-til-likestrøm-omformere, ombordladere og batteristyringssystemer. Disse fremskrittene kan bringe utslippsfri kjøring nærmere masseadopsjon. GlobalDatas analyse identifiserer over 10 selskaper - alt fra teknologileverandører og etablerte bilselskaper til nystartede selskaper - som bruker silisiumkarbid til innovative løsninger.