Визначення карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC) - це тверда, синтетична кристалічна сполука, яка широко використовується як абразивний і зносостійкий матеріал, у вогнетривах і кераміці, а також як напівпровідникова підкладка для світлодіодів (LED).

Напівпровідники EFM також перевершують традиційні кремнієві напівпровідники у високовольтних середовищах, таких як силові пристрої електромобілів, забезпечуючи чудову продуктивність завдяки мінімізації втрат напруги і струму, а також зменшенню і полегшенню основних компонентів управління акумулятором при одночасному зменшенні розмірів і ваги.

Карбід кремнію

Карбід кремнію - це інертна керамічна сполука, що складається з кремнію та вуглецю. Маючи твердість 9 одиниць за шкалою Мооса, він посідає третє місце після карбіду бору (9,5) та алмазу (10). Карбід кремнію має високу механічну міцність, залишаючись при цьому хімічно інертним, що робить його ідеальним для захисту твердих поверхонь, наприклад, верстатів.

Чисті вуглецеві нанотрубки містять чотири атоми вуглецю, розташовані в чотирьох вуглецевих тетраедрах, ковалентно пов'язаних між собою кремнієвими зв'язками. Таке розташування дозволяє поліморфізм з різними кристалічними структурами і фазами.

Кристалічна структура SiC зумовлює його чудові електричні властивості, в тому числі характеристики широкозонного напівпровідника (ШПН), що є важливими для електронних застосувань. Більша ширина забороненої зони дозволяє електронам швидше залишати орбіту, що призводить до вищих частот і швидшої роботи, ніж у звичайних кремнієвих пристроях.

Як базовий матеріал, кремній можна легувати азотом, фосфором, галієм, бором та алюмінієм для отримання напівпровідників n-типу. Крім того, безкремнієві транзистори можуть знизити вартість і енергоспоживання на цілих 40%.

Карбід кремнію (SiC) може працювати при температурі до 300 градусів Цельсія, що робить його чудовим матеріалом для застосування в умовах високих температур, наприклад, у двигунах електромобілів. SiC може усунути потребу в активних системах охолодження, які збільшують вагу, вартість і складність - що означає більший запас ходу і швидший час заряджання для цих транспортних засобів.

Напівпровідниковий

Карбід кремнію давно відомий своїми унікальними електричними властивостями, які роблять його дуже корисним в електроніці. Напівпровідники, які поперемінно діють як провідники (як мідна електропроводка) та ізолятори (полімерна ізоляція, що покриває ці дроти), складають напівпровідникові матеріали, що використовуються для створення інтегральних схем, дискретних електронних компонентів, таких як діоди і транзистори, які проводять електрику за певних умов; їхню провідність можна навіть змінювати за допомогою стимуляції електричним струмом, електромагнітними полями або світловим випромінюванням.

Карбід кремнію відрізняється від традиційних напівпровідників надзвичайно широкою забороненою зоною. Це означає, що для переміщення електронів з валентної зони в зону провідності потрібно набагато більше енергії; отже, карбід кремнію може похвалитися дуже низькими втратами потужності - безцінною якістю, коли він використовується у високовольтних пристроях, таких як тягові інвертори електромобілів.

Карбід кремнію здавна використовується в промисловості та науці для різних цілей - від дробеструйної обробки та карборундових друкарських інструментів до теплотехніки, електротехніки та машинобудування. Однак останнім часом попит на нього стрімко зріс завдяки низькому коефіцієнту теплового розширення, високому співвідношенню міцності до твердості та здатності протистояти агресивним середовищам.

Кераміка

Поєднання кремнію та вуглецю створює привабливий матеріал з чудовими механічними, хімічними та термічними властивостями. Він може похвалитися надзвичайною твердістю - вдвічі вищою за алмаз за шкалою Мооса - а також чудовою стійкістю до термічних ударів порівняно з іншими вогнетривкими матеріалами.

Кераміка - це неорганічний, неметалевий матеріал, який є надзвичайно гнучким у невипаленому стані, але значно твердішає під час випалу. Кераміка охоплює різні категорії, наприклад:

Кераміка використовується переважно як вогнетривкий неорганічний матеріал, що забезпечує стійкість до нагрівання, хімічного зносу та корозії. Кераміка буває найрізноманітніших форм і кольорів і використовується в різних галузях промисловості. Важливими сферами застосування біокераміки є протипожежний захист, надпровідники та індукування біологічних реакцій клітин. Біоактивна кераміка може бути біоактивною за своєю природою, або може бути такою завдяки обробці поверхні чи заповненню пор кераміки фармацевтично активними речовинами. Карбід кремнію широко використовується для виготовлення автомобільних гальмівних дисків, які значно зменшують тертя та викиди шкідливих речовин, витримуючи високі температури і не потребуючи активних систем охолодження, які збільшують вагу, складність та вартість. Крім того, він лежить в основі багатьох абразивів і ріжучих інструментів.

Автомобільна промисловість

Карбід кремнію (SiC) - надзвичайно міцний матеріал, що займає дев'яте місце за шкалою Мооса, між глиноземом (9) та алмазом (10). Вперше карбід кремнію був штучно синтезований американським винахідником Едвардом Ачесоном у 1891 році, коли він намагався виготовити штучні алмази, але натомість виявив маленькі чорні кристали SiC в електрично нагрітому розплаві вуглецю та глинозему, які були подрібнені в порошок для промислових абразивів. Лауреат Нобелівської премії, хімік Анрі Муассан у 1905 році спостерігав цю сполуку в природі у вигляді прозорого мінералу, названого муассанітом.

Унікальна атомна структура та напівпровідникові властивості карбіду кремнію роблять його ідеальним матеріалом для електронних приладів, таких як діоди, транзистори та силові пристрої. Він має вдесятеро більшу стійкість до напруги, ніж традиційний кремній, і ще краще працює в системах з напругою понад 1000 В, що робить його ідеальним матеріалом для задоволення вимог до високої напруги, пов'язаних із зарядними станціями для електромобілів (EV) та системами управління енергоспоживанням.

SiC може значно підвищити ефективність перемикання, а також допомогти зменшити розмір і вагу основних компонентів електромобілів, таких як перетворювачі постійного струму в постійний, бортові зарядні пристрої та системи управління акумуляторами. Ці досягнення можуть наблизити водіння без викидів до масового впровадження. Аналіз GlobalData виявив понад 10 компаній - від постачальників технологій і відомих автомобільних компаній до перспективних стартапів - які використовують карбід кремнію для інноваційних рішень.