Какво представлява силициевият карбид?

Силициевият карбид е инертно химично съединение с високи температури на топене и кипене, от което могат да се правят нереактивни керамични плочи, използвани в бронежилетките. Тъй като е и полупроводников материал, силициевият карбид е отличен избор на материал.

Благодарение на изключителните си електрически свойства силицият има потенциала да увеличи пробега на електрическите превозни средства, като подобри пестенето на енергия и същевременно намали размера и теглото на силовите електронни системи.

Твърдост

Силициевият карбид (SiC) е инертно и химически стабилно съединение, съставено от въглерод (C) и силиций (Si). Среща се в природата като скъпоценния камък моисанит, а масово производство под формата на прах се извършва от 1893 г. насам за използване като абразив и като част от керамичните плочи на бронежилетките.

SiC е третият по твърдост материал на Земята с твърдост по Моос 13, което го прави изключително устойчив на деформация при компресия. Само диамантът (твърдост по Моос 15) и боровият карбид (твърдост по Моос 14) превъзхождат устойчивостта на SiC срещу деформация при компресия.

Гранулираният SiC е сравнително крехък, но все пак може да бъде счупен с помощта на диамантен трион, а високата му температурна устойчивост и химическата му нечувствителност го правят незасегнат от концентрирани разтвори на флуороводородна киселина, азотна киселина или сярна киселина; той обаче се разтваря в разредени разтвори на основи.

Реакционно синтерованият силициев карбид (RSSC) е усъвършенствана керамика, която през последните години се превърна в предпочитан материал за бронирани приложения поради по-ниските си производствени разходи в сравнение с директно синтерования силициев карбид (DSSC) и нулевата си порьозност. RSSC може да се похвали с плътност от над 3,04 g cm-3 за снаряди с обвивка/оловно ядро и 3,08 g cm-3 за бронебойни снаряди за сравними балистични характеристики със сравними балистични характеристики между RSSC и DSSC.

Силициевокарбидните абразиви, като силициев карбид x4, са високоефективни абразиви, които правят силициевия карбид x4 предпочитан избор за шлайфане, отстраняване на зауствания, смесване и финишна обработка на цветни метали, неръждаема стомана и композити. Идеален е за приложения за шлифоване под високо налягане в металообработването и в авиационно-космическите производствени среди, като размерът на зърното му от 120 до 150 го прави подходящ за употреба при тежки условия.

Топлопроводимост

Силициевият карбид (SiC) е изключително твърдо химично съединение и полупроводник. Срещан в природата като скъпоценния камък моисанит, SiC се произвежда масово от 1893 г. насам под формата на прах и кристали за използване като абразив или в приложения, изискващи висока издръжливост - автомобилните спирачки, съединители и бронежилетки често включват SiC в своите конструкции поради способността му да издържа на изключително високи температури.

SiC е идеален материал за приложения в силовата електроника благодарение на високата си електропроводимост, голямата си лентова междина и отличните си термични свойства. Той може да издържи на високите температури и токове, които се срещат в устройства като инверторите, без да претърпи загуби в ефективността на напрежението или тока; освен това той спомага за намаляване на теглото, като същевременно намалява размерите и големината на тези устройства.

SiC се отличава сред полупроводниците с превъзходните си термични свойства и нисък коефициент на разширение, което го прави по-стабилен от останалите. Това позволява на SiC да издържа на по-високи температури и по-продължително излагане на ултравиолетова радиация, без да деградира или да се повреди с течение на времето.

SiC е отличен материал за използване в приложенията на силовата електроника, особено в инверторите, поради отличната си топлопроводимост, тъй като може да управлява по-големи токове при по-ниски температури, като същевременно предлага намалени енергийни загуби, които спомагат за повишаване на ефективността и продължителността на живота на устройствата.

SiC предлага много предимства пред своите аналози, когато става въпрос за устойчивост на корозия, с високи стойности на температурата на топене и кипене, които намаляват риска от окисляване и се превръщат в чудесни топлоизолатори, предотвратяващи преноса на топлина между вътрешните компоненти на устройствата.

SiC е идеален материал за използване в жироскопи поради широкия си температурен диапазон на работа и устойчивостта си на вибрации, без да споменаваме значително по-високия коефициент на качество в сравнение с други полупроводникови материали.

Кубичният SiC се произвежда чрез синтез на въглеродна основа или чрез методи за химическо отлагане от пари, като и двата метода включват използването на газове, комбинирани в камера без атмосфера, преди да бъдат освободени върху повърхността на пластината за отлагане.

Устойчивост на термичен шок

Устойчивостта на термичен шок се отнася до способността на материалите да издържат на внезапни температурни промени, без да предизвикват вътрешни пукнатини, което ги прави важни за приложения, свързани с производството на полупроводници и високотехнологично оборудване. Силициевият карбид (SiC) предлага отлични свойства за устойчивост на термичен шок и трябва да се има предвид, когато е изложен на високи темпове на температурни колебания.

SiC се използва в многобройни промишлени продукти - от газови турбини и керамични плочи за бронежилетки до силова електроника за електрически превозни средства, където приложението му спомага за намаляване на загубите на напрежение и ток, като същевременно подобрява топлинната ефективност - по този начин спомага за увеличаване на разстоянието на шофиране, като същевременно намалява размера и теглото на компонентите на силовата електроника.

Изследователите провеждат експеримент, при който оценяват устойчивостта на термичен шок на x4 SiC, изработен със силициев нитрид. Този материал има по-висока якост и топлопроводимост в сравнение с чистия силициев карбид, което го прави подходящ за високопроизводителни електронни устройства; по-ниската му температура на топене обаче означава, че той не е толкова устойчив на термичен шок. Изследователите откриват, че добавянето на силициев нитрид значително повишава устойчивостта на термичен шок на този вариант на SiC с почти 200 %; това го превръща в универсален, но ценово ефективен материал, подходящ за взискателни приложения.

Устойчивостта на термичен шок на x4 SiC може да се е увеличила поради порестата матрица от конвертиран графит, която съдържа сравнително малки силициеви джобове, които са равномерно разпределени, за разлика от конвенционалния силициран SiC материал, който обикновено има по-груби частици с много повече големи джобове.

Това ново изобретение се отличава с повишена устойчивост на термичен шок от x4 SiC със силициев нитрид, което го прави особено приложимо в RTP среди, характеризиращи се с бързи температурни промени, които изискват изключително издръжливи материали, за да се избегне вътрешно напукване. Изследователите са установили, че то има отлична устойчивост на термичен шок от 500 градуса по Целзий - съществена характеристика за много среди за RTP.

Електрическа проводимост

Силициевият карбид е електронен материал, известен с изключителните си свойства, които го правят изключително търсен от електронната индустрия в цял свят. Някои забележителни характеристики на невероятните му свойства са твърдост, устойчивост на корозия и топлопроводимост - качества, които позиционират силициевия карбид за използване в индустриални приложения с високо търсене.

В чисто състояние SiC действа като електрически изолатор; при добавяне на примеси той става полупроводим. Благодарение на широката си лента на пропускане (разликата в енергията между валентните и проводниковите ленти на атомите в даден материал) SiC е идеален за приложения с високо напрежение, където други изолатори могат да се окажат неподходящи поради прекалено високите енергийни изисквания за преминаване на електроните от една лента в следващата.

Тази широка лента на пропускане позволява да се намалят загубите на напрежение, да се подобри ефективността и да се увеличи капацитетът за обработка на мощност във все по-компактен пакет - което го прави идеален за критични електронни приложения. Освен това ниските енергийни загуби означават, че той може да понася по-високи температури, без да се нуждае от активни системи за охлаждане, които увеличават теглото, разходите и сложността на оборудването.

SiC е идеален за използване в среди, изложени на екстремна влага и топлина, като например в спирачните системи на автомобилите. Благодарение на отличната си устойчивост на окисляване SiC е отличен материал за режещи инструменти, тъй като може да шлифова метали като стомана и алуминий с минимална деградация или износване - една от причините за това е неговата твърдост по Моос от 9; само една стъпка под диаманта!

Високоволтовите свойства на SiC го правят подходящ за използване в ключови компоненти на силовата електроника на електрическите превозни средства, с по-ниски загуби на енергия от силиция, намалени размери на компонентите и подобрена цялостна производителност на системата. Това помага на електромобилите да постигнат по-дълъг пробег с намалено време и разходи за зареждане, както и по-малка зависимост от външни системи за активно охлаждане, които увеличават теглото, разходите и пространството.

Универсалните свойства на силициевия карбид са го превърнали в неразделен компонент на много индустрии, с потенциал да стимулира напредъка в обработката на енергия и ефективността през 2024 г. и след това. Благодарение на своята издръжливост, твърдост, проводимост и предимства по отношение на надеждността той все по-често се използва в критични промишлени приложения - с оглед на повишаване на осъществимостта и надеждността.