Definícia karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je tvrdá, synteticky vyrábaná kryštalická zlúčenina, ktorá sa široko používa ako abrazívny materiál odolný proti opotrebovaniu, v žiaruvzdorných materiáloch a keramike, ako aj ako polovodičový substrát pre svetelné diódy (LED).

Polovodiče EFM tiež prekonali tradičné kremíkové polovodiče vo vysokonapäťových prostrediach, aké sa nachádzajú v napájacích zariadeniach elektrických vozidiel (EV), a poskytli vynikajúci výkon minimalizovaním strát napätia a prúdu, ako aj zmenšením a odľahčením základných komponentov riadenia batérie pri súčasnom znížení veľkosti a hmotnosti.

Karbid kremíka

Karbid kremíka je inertná keramická zlúčenina zložená z kremíka a uhlíka. S tvrdosťou 9 podľa Mohsa je na treťom mieste za karbidom bóru (9,5) a diamantom (10). Karbid kremíka má vysokú mechanickú odolnosť a zároveň zostáva chemicky inertný, takže je ideálny na aplikácie ochrany tvrdých povrchov, ako sú obrábacie stroje.

Čisté uhlíkové nanorúrky obsahujú štyri atómy uhlíka usporiadané do štyroch uhlíkových tetraédrov, kovalentne spojených kremíkovými väzbami. Toto usporiadanie umožňuje polymorfizmus s rôznymi kryštálovými štruktúrami a fázami.

Kryštalická štruktúra SiC má za následok jeho vynikajúce elektrické vlastnosti vrátane vlastností polovodiča so širokou pásmovou medzerou (WBG), ktoré sú nevyhnutné pre elektronické aplikácie. Väčšia pásmová medzera umožňuje elektrónom rýchlejšie opúšťať obežnú dráhu, čo vedie k vyšším frekvenciám a rýchlejším operáciám ako v prípade bežných kremíkových zariadení.

Kremík ako základný materiál môže byť dopovaný dusíkom, fosforom, gáliom, bórom a hliníkom na výrobu polovodičov typu n. Okrem toho môžu tranzistory bez kremíka znížiť náklady a spotrebu energie až o 40%.

Karbid kremíka (SiC) môže pracovať pri teplote až 300 °C, čo z neho robí vynikajúci materiál pre aplikácie vo vysokoteplotných prostrediach, ako sú motory elektrických vozidiel. SiC dokáže eliminovať potrebu aktívnych chladiacich systémov, ktoré zvyšujú hmotnosť, náklady a zložitosť, čo znamená väčší dojazd a rýchlejšie nabíjanie týchto vozidiel.

Polovodičové

Karbid kremíka je už dlho známy pre svoje jedinečné elektrické vlastnosti, vďaka ktorým je veľmi užitočný v elektronike. Polovodiče, ktoré sa striedavo správajú ako vodiče (ako medené elektrické vedenie) a izolátory (polymérová izolácia pokrývajúca tieto vodiče), tvoria polovodičové materiály používané na konštrukciu integrovaných obvodov, diskrétnych elektronických súčiastok, ako sú diódy a tranzistory, ktoré za určitých podmienok vedú elektrický prúd; ich vodivosť možno dokonca meniť stimuláciou pomocou elektrického prúdu, elektromagnetických polí alebo svetelnej stimulácie.

Karbid kremíka sa od tradičných polovodičov odlišuje extrémne širokým pásmom. To znamená, že na presun elektrónov z valenčného pásma do vodivostného pásma je potrebná oveľa väčšia energia; karbid kremíka sa preto môže pochváliť veľmi nízkymi výkonovými stratami - čo je neoceniteľná vlastnosť pri použití vo vysokonapäťových aplikáciách, ako sú trakčné meniče pre elektrické vozidlá.

Karbid kremíka sa už dlho využíva na rôzne účely v priemysle a na akademickej pôde, od pieskovacích zrniek a karborundových tlačiarenských nástrojov až po tepelné, elektrické a strojárske aplikácie. V poslednom čase však dopyt po ňom prudko vzrástol vďaka jeho nízkej tepelnej rozťažnosti, vysokému pomeru pevnosti a tvrdosti a schopnosti odolávať nepriaznivým prostrediam.

Keramické

Kombináciou kremíka a uhlíka vzniká atraktívny materiál s vynikajúcimi mechanickými, chemickými a tepelnými vlastnosťami. Môže sa pochváliť extrémnou tvrdosťou - až dvojnásobnou tvrdosťou diamantu na Mohsovej stupnici - ako aj vynikajúcou odolnosťou voči tepelným šokom v porovnaní s inými žiaruvzdornými materiálmi.

Keramika je anorganický nekovový materiál, ktorý je v nevypálenom stave veľmi pružný, ale počas vypalovania výrazne tvrdne. Keramika zahŕňa rôzne kategórie, napr:

Keramika sa používa predovšetkým ako žiaruvzdorný materiál, anorganický materiál, ktorý poskytuje odolnosť proti tepelnému a chemickému opotrebovaniu a korózii. Keramika má najrôznejšie tvary a farby a používa sa v rôznych priemyselných odvetviach. Medzi dôležité použitia biokeramiky patrí protipožiarna ochrana, supravodiče a vyvolávanie biologických reakcií buniek. Bioaktívna keramika môže byť buď sama osebe bioaktívna, alebo sa môže stať bioaktívnou vďaka povrchovej úprave alebo vyplneniu keramických pórov farmaceuticky aktívnymi látkami. Karbid kremíka sa široko používa na výrobu brzdových kotúčov automobilov, ktoré výrazne znižujú trenie a emisie a zároveň odolávajú vysokým teplotám bez potreby aktívnych chladiacich systémov, ktoré zvyšujú hmotnosť, zložitosť a náklady. Okrem toho sa používa ako základ mnohých brúsnych a rezných nástrojov.

Automobilový priemysel

Karbid kremíka (SiC) je extrémne húževnatý materiál, ktorý je na Mohsovej stupnici na deviatom mieste, medzi oxidom hlinitým (9) a diamantom (10). Karbid kremíka prvýkrát umelo syntetizoval americký vynálezca Edward Acheson v roku 1891, keď sa pokúšal vyrobiť umelé diamanty, ale namiesto toho objavil vo svojej elektricky zahriatej tavenine uhlíka a oxidu hlinitého malé čierne kryštáliky SiC, ktoré rozomlel do formy prášku na priemyselné brúsivá. Chemik Henri Moissan, nositeľ Nobelovej ceny, pozoroval túto zlúčeninu v roku 1905 ako priehľadný minerál s názvom moissanit.

Jedinečná atómová štruktúra karbidu kremíka a jeho polovodičové vlastnosti ho predurčujú na elektronické aplikácie, ako sú diódy, tranzistory a výkonové zariadenia. Má desaťkrát vyššiu odolnosť voči napätiu ako tradičný kremík a funguje ešte lepšie v systémoch s napätím vyšším ako 1000 V, čo z neho robí ideálny materiál na splnenie požiadaviek na vysoké napätie spojené s nabíjacími stanicami pre elektrické vozidlá a systémami riadenia energie.

SiC môže výrazne zlepšiť účinnosť spínania a zároveň pomôcť znížiť veľkosť a hmotnosť základných komponentov elektrických vozidiel, ako sú DC-DC meniče, palubné nabíjačky a systémy riadenia batérií. Tieto pokroky by mohli priblížiť bezemisnú jazdu k masovému rozšíreniu. Analýza GlobalData identifikuje viac ako 10 spoločností - od dodávateľov technológií a zavedených automobilových spoločností až po začínajúce startupy - využívajúcich karbid kremíka na inovatívne riešenia.