Opredelitev silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) je trda, sintetično proizvedena kristalinična spojina, ki se pogosto uporablja kot abrazivni material, odporen proti obrabi, v ognjevzdržnih materialih in keramiki ter kot polprevodniški substrat za svetleče diode (LED).

Polprevodniki EFM prekašajo tradicionalne silicijeve polprevodnike tudi v visokonapetostnih okoljih, kot so tista v napravah za napajanje električnih vozil (EV), saj zagotavljajo vrhunsko zmogljivost z zmanjšanjem izgub pri napetosti in toku ter zmanjšanjem in olajšanjem bistvenih komponent za upravljanje baterije, hkrati pa zmanjšujejo velikost in težo.

Silicijev karbid

Silicijev karbid je inertna keramična spojina, sestavljena iz silicija in ogljika. Njegova trdota po Mohsovi lestvici je 9, kar ga uvršča na tretje mesto za borovim karbidom (9,5) in diamantom (10). Silicijev karbid ima visoko mehansko obstojnost, hkrati pa ostaja kemično inerten, zato je idealen za zaščito trdih površin, kot so strojna orodja.

Čiste ogljikove nanocevke vsebujejo štiri ogljikove atome, razporejene v štiri ogljikove tetraedre, kovalentno povezane s silicijevimi vezmi. Ta razporeditev omogoča polimorfizem z različnimi kristalnimi strukturami in fazami.

Kristalinična struktura SiC-a omogoča njegove odlične električne lastnosti, vključno z lastnostmi polprevodnika s široko pasovno vrzeljo (WBG), ki so bistvene za elektronske aplikacije. Večja pasovna vrzel omogoča elektronom, da hitreje zapustijo orbito, kar vodi do višjih frekvenc in hitrejšega delovanja kot pri običajnih silicijevih napravah.

Silicij kot osnovni material se lahko dopira z dušikom, fosforjem, galijem, borom in aluminijem za proizvodnjo polprevodnikov tipa n. Poleg tega lahko tranzistorji brez silicija zmanjšajo stroške in porabo energije do 40%.

Silicijev karbid (SiC) lahko deluje pri temperaturi do 300 stopinj C, zato je odličen material za uporabo v visokotemperaturnih okoljih, kot so motorji električnih vozil. SiC lahko odpravi potrebo po aktivnih hladilnih sistemih, ki povečujejo težo, stroške in zapletenost, kar pomeni večji doseg in krajši čas polnjenja teh vozil.

Polprevodnik

Silicijev karbid je že dolgo znan po svojih edinstvenih električnih lastnostih, zaradi katerih je zelo uporaben v elektroniki. Polprevodniki, ki izmenično delujejo kot prevodniki (kot bakrene električne žice) in izolatorji (polimerna izolacija, ki pokriva te žice), sestavljajo polprevodniške materiale, ki se uporabljajo za izdelavo integriranih vezij, diskretnih elektronskih komponent, kot so diode in tranzistorji, ki pod določenimi pogoji prevajajo elektriko; njihovo prevodnost lahko celo spreminjamo s stimulacijo z električnim tokom, elektromagnetnimi polji ali svetlobno stimulacijo.

Silicijev karbid se od običajnih polprevodnikov razlikuje po izjemno široki pasovni vrzeli. To pomeni, da potrebuje veliko več energije za prehod elektronov iz valenčnega v prevodni pas; zato se silicijev karbid ponaša z zelo nizkimi izgubami energije - neprecenljiva lastnost pri uporabi za visokonapetostne aplikacije, kot so vlečni pretvorniki za električna vozila.

Silicijev karbid se že dolgo uporablja za različne namene v industriji in akademski sferi, od peskanja in tiskarskih orodij karborundum do uporabe v toplotni, električni in strojni industriji. V zadnjem času pa je povpraševanje po njem močno naraslo zaradi nizke stopnje toplotnega raztezanja, visokega razmerja med trdnostjo in trdoto ter zmožnosti odpornosti proti sovražnim okoljem.

Keramika

Silicij in ogljik skupaj tvorita privlačen material z odličnimi mehanskimi, kemičnimi in toplotnimi lastnostmi. Ponaša se z izjemno trdoto - po Mohsovi lestvici je kar dvakrat trši od diamanta - in z izjemno odpornostjo na toplotne udarce v primerjavi z drugimi ognjevzdržnimi materiali.

Keramika je anorganski nekovinski material, ki je zelo prožen, ko ni žgan, vendar se med žganjem močno strdi. Keramika zajema različne kategorije; na primer:

Keramika se uporablja predvsem kot ognjevzdržni materiali, anorganski materiali, ki zagotavljajo odpornost proti toplotni in kemični obrabi ter koroziji. Keramika je na voljo v najrazličnejših oblikah in barvah ter se uporablja v različnih panogah. Pomembne uporabe biokeramike vključujejo požarno zaščito, superprevodnike in povzročanje bioloških odzivov celic. Bioaktivna keramika je lahko biološko aktivna sama po sebi ali pa jo lahko naredimo tako s površinsko obdelavo ali polnjenjem keramičnih por s farmacevtsko aktivnimi snovmi. Silicijev karbid se pogosto uporablja za avtomobilske zavorne diske, ki znatno zmanjšujejo trenje in emisije, hkrati pa vzdržijo visoke temperature, ne da bi potrebovali aktivne hladilne sisteme, ki povečujejo težo, zapletenost in stroške. Poleg tega je njegova uporaba osnova številnih abrazivov in rezalnih orodij.

Avtomobilska industrija

Silicijev karbid (SiC) je izredno žilav material, ki po Mohsovi lestvici zaseda deveto mesto med aluminijevim oksidom (9) in diamantom (10). Silicijev karbid je prvič umetno sintetiziral ameriški izumitelj Edward Acheson leta 1891, ko je poskušal izdelati umetne diamante, vendar je namesto tega v električno segreti talini ogljika in aluminijevega oksida odkril majhne črne kristale SiC, ki jih je zmlel v obliki prahu za industrijska brusila. Kemik Henri Moissan, dobitnik Nobelove nagrade, je leta 1905 to spojino opazil v naravi kot prozoren mineral, imenovan moissanit.

Silicijev karbid je zaradi svoje edinstvene atomske strukture in polprevodniških lastnosti idealen za elektronske aplikacije, kot so diode, tranzistorji in energetske naprave. Ima desetkrat večjo napetostno odpornost kot tradicionalni silicij in se še bolje obnese v sistemih, ki presegajo 1000 V, zato je idealen material za izpolnjevanje zahtev po visoki napetosti, povezanih s polnilnimi postajami za električna vozila (EV) in sistemi za upravljanje energije.

SiC lahko znatno izboljša učinkovitost preklopov, hkrati pa pomaga zmanjšati velikost in težo bistvenih komponent električnih vozil, kot so pretvorniki DC-DC, vgrajeni polnilniki in sistemi za upravljanje baterij. Ta napredek bi lahko približal množično uporabo vožnje brez emisij. V analizi družbe GlobalData je opredeljenih več kot 10 podjetij - od prodajalcev tehnologije in uveljavljenih avtomobilskih podjetij do zagonskih podjetij v vzponu -, ki uporabljajo silicijev karbid za inovativne rešitve.