Carbură de siliciu Definiție

Carbura de siliciu (SiC) este un compus cristalin dur, produs sintetic, utilizat pe scară largă ca material abraziv și rezistent la uzură, în aplicații refractare și ceramice, precum și ca substrat semiconductor pentru diodele emițătoare de lumină (LED).

Semiconductorii EFM au depășit, de asemenea, semiconductorii tradiționali din siliciu în medii de înaltă tensiune, cum ar fi cele găsite în dispozitivele de alimentare ale vehiculelor electrice (EV), oferind performanțe superioare prin minimizarea pierderilor de tensiune și curent, precum și prin micșorarea și ușurarea componentelor esențiale de gestionare a bateriei, reducând în același timp dimensiunea și greutatea.

Carbură de siliciu

Carbura de siliciu este un compus ceramic inert format din siliciu și carbon. Cu o duritate Mohs de 9, se situează pe locul trei după carbura de bor (9,5) și diamant (10). Carbura de siliciu are o durabilitate mecanică ridicată, rămânând în același timp inertă din punct de vedere chimic, ceea ce o face perfectă pentru aplicații de protecție a suprafețelor dure, cum ar fi mașinile-unelte.

Nanotuburile de carbon pur conțin patru atomi de carbon dispuși în patru tetraedre de carbon, legate covalent între ele prin legături de siliciu. Acest aranjament permite polimorfismul cu diferite structuri și faze cristaline.

Structura cristalină a SiC duce la proprietăți electrice superioare, inclusiv caracteristici de semiconductor cu bandă largă (WBG) esențiale pentru aplicațiile electronice. Un interval de bandă mai mare permite electronilor să părăsească orbita mai rapid, ceea ce conduce la frecvențe mai mari și la operații mai rapide decât în cazul dispozitivelor convenționale cu siliciu.

Ca material de bază, siliciul poate fi dopat cu azot, fosfor, galiu, bor și aluminiu pentru a produce semiconductori de tip n. În plus, tranzistorii fără siliciu pot reduce costurile și consumul de energie cu până la 40%.

Carbura de siliciu (SiC) poate funcționa până la 300 de grade C, ceea ce o face o alegere excelentă de material pentru aplicații în medii cu temperaturi ridicate, cum ar fi motoarele vehiculelor electrice. SiC poate elimina nevoia de sisteme de răcire active care adaugă greutate, costuri și complexitate - ceea ce se traduce printr-o autonomie mai mare și timpi de încărcare mai rapizi pentru aceste vehicule.

Semiconductor

Carbura de siliciu a fost recunoscută de mult timp pentru proprietățile sale electrice unice, care o fac extrem de utilă în electronică. Semiconductorii, care se comportă alternativ ca conductori (precum cablurile electrice din cupru) și ca izolatori (izolația polimerică care acoperă aceste cabluri), alcătuiesc materialele semiconductoare utilizate pentru construirea circuitelor integrate, componente electronice discrete precum diodele și tranzistoarele, care conduc electricitatea în anumite condiții; conductivitatea lor poate fi chiar modificată prin stimulare prin curenți electrici, câmpuri electromagnetice sau lumină.

Carbura de siliciu se diferențiază de semiconductorii tradiționali prin faptul că are un interval de bandă extrem de larg. Aceasta înseamnă că este nevoie de mult mai multă energie pentru a deplasa electronii din banda de valență în banda de conducție; în consecință, carbura de siliciu se mândrește cu pierderi de putere foarte reduse - o calitate neprețuită atunci când este utilizată pentru aplicații de înaltă tensiune, cum ar fi invertoarele de tracțiune ale vehiculelor electrice.

Carbura de siliciu este utilizată de mult timp pentru diverse utilizări în industrie și în mediul academic, de la granule de sablare și instrumente de imprimare cu carborundum la aplicații de inginerie termică, electrică și mecanică. Cu toate acestea, recent, cererea a crescut vertiginos datorită ratelor scăzute de dilatare termică, raportului ridicat rezistență/duritate și capacității sale de a rezista în medii ostile.

Ceramică

Siliconul și carbonul se combină pentru a produce un material atractiv cu proprietăți mecanice, chimice și termice excelente. Se mândrește cu o duritate extremă - de două ori mai mare decât cea a diamantului pe scara Mohs - precum și cu o rezistență superioară la șocurile termice în raport cu alte materiale refractare.

Ceramica se referă la un material anorganic, nemetalic, care este extrem de flexibil atunci când nu este ars, dar se întărește semnificativ în timpul proceselor de ardere. Ceramica acoperă diverse categorii; de exemplu:

Ceramica este utilizată în principal ca materiale refractare, materiale anorganice care oferă rezistență la căldură și uzură chimică și la coroziune. Ceramicele sunt disponibile în tot felul de forme și culori și sunt utilizate în toate industriile. Printre utilizările importante ale bioceramicii se numără protecția împotriva incendiilor, superconductorii și inducerea de răspunsuri biologice din partea celulelor. Ceramica bioactivă poate fi fie bioactivă intrinsec, fie poate fi transformată astfel prin tratamente de suprafață sau prin umplerea porilor ceramicii cu substanțe farmaceutice active. Carbura de siliciu este utilizată pe scară largă pentru discurile de frână ale automobilelor, care reduc semnificativ frecarea și emisiile, rezistând în același timp la temperaturi ridicate fără a necesita sisteme active de răcire care adaugă greutate, complexitate și costuri. În plus, utilizarea sa constituie baza multor abrazive și unelte de tăiere.

Automobile

Carbura de siliciu (SiC) este un material extrem de dur, situat pe locul nouă pe scara Mohs, între alumină (9) și diamant (10). Carbura de siliciu a fost sintetizată artificial pentru prima dată de inventatorul american Edward Acheson în 1891, când a încercat să producă diamante artificiale, dar a descoperit în schimb mici cristale negre de SiC în topitura sa de carbon și alumină încălzită electric, care au fost măcinate sub formă de pulbere pentru abrazive industriale. În 1905, chimistul Henri Moissan, laureat al Premiului Nobel, a observat compusul natural sub forma unui mineral transparent numit moissanit.

Structura atomică unică și proprietățile semiconductoare ale carburii de siliciu o fac ideală pentru aplicații electronice precum diode, tranzistoare și dispozitive de putere. Acesta are o rezistență la tensiune de zece ori mai mare decât siliciul tradițional și funcționează chiar mai bine în sisteme care depășesc 1000V, ceea ce îl face materialul ideal pentru a satisface cerințele de înaltă tensiune asociate stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice (EV) și sistemelor de gestionare a energiei.

SiC poate îmbunătăți semnificativ eficiența comutației, contribuind în același timp la reducerea dimensiunii și greutății componentelor esențiale ale vehiculelor electrice, cum ar fi convertoarele DC-DC, încărcătoarele de bord și sistemele de gestionare a bateriilor. Aceste progrese ar putea aduce conducerea fără emisii mai aproape de adoptarea în masă. Analiza GlobalData identifică peste 10 companii - de la furnizori de tehnologie și companii auto consacrate până la start-up-uri emergente - care utilizează carbura de siliciu pentru soluții inovatoare.