Piikarbidi ja sen sähkönjohtavuus

Piikarbidi on erittäin kova synteettinen materiaali, jonka Mohsin asteikon kovuus on 9, mikä tekee siitä yhdeksänneksi kovimman materiaalin kovuusjatkumolla. Lisäksi piikarbidilla on erinomaiset sähkönjohtavuusominaisuudet ja se kestää korkeita lämpötiloja.

Keraamisista materiaaleista valmistettuja elektronisia komponentteja voidaan koota laitteiksi, jotka vahvistavat, kytkevät ja muuntavat signaaleja sähköpiirissä. Tällaisia laitteita käytetään lukuisissa sähköajoneuvosovelluksissa, kuten virtalähteissä ja ajonhallintavaihtosuuntaajissa.

Se on puolijohde

Piikarbidi on puolijohde, jolla on laaja kaistanleveys, jonka ansiosta se kestää korkeita jännitteitä. Sen jännitekestävyys on kymmenkertainen tavalliseen piihin verrattuna, ja se jopa päihittää galliumnitridin yli 1000 voltin järjestelmissä, minkä vuoksi se soveltuu tehoelektroniikan laitteisiin, kuten diodeihin ja transistoreihin, pumppujen laakereihin, venttiileihin ja teollisuudessa käytettäviin hiomasuuttimiin sekä luodinkestävien liivien sisällä oleviin keraamisiin levyihin.

Edward G. Acheson teki piikarbidin löydön vuonna 1891, kun hän lämmitti jauhetun saven ja hiilen seosta hiilikaarilamppua muistuttavassa sähköuunissa ja sai aikaan timanttia muistuttavia kiteitä, jotka olivat kovuudeltaan ja kirkkaudeltaan samanlaisia. Hän nimesi tämän uuden yhdisteen karborundiksi sen luonnollisen mineraalimuodon korundin mukaan.

Piikarbidilla on monimutkainen kiderakenne, joka koostuu tetraedrisiin koordinaatiomuotoihin kovalenttisesti sidotuista pii- ja hiiliatomeista koostuvista kerroksista, jotka muodostavat puolijohteen, joka vaihtelee johtavien ja eristävien tilojen välillä, minkä ansiosta se pystyy siirtämään sähköä menettämättä energiaa; se soveltuu sähköajoneuvoihin, jotka tarvitsevat tehoelektroniikkaa, joka pystyy käsittelemään suuria jännitteitä ja virtoja.

Se on kallista

Piikarbidin valmistus on kallista, ja kustannukset johtuvat pääasiassa raaka-aineista ja valmistusprosessista. Korkeiden valmistuskustannusten vuoksi piikarbidi on perinteisesti soveltunut vain laajamittaisiin sovelluksiin; teknologinen kehitys voi kuitenkin laajentaa sen markkinoita edelleen lähitulevaisuudessa.

Piikarbidia käytetään raaka-aineena tulenkestävässä teollisuudessa korkealaatuisten tulenkestävien tuotteiden valmistuksessa, sillä se on erittäin korroosionkestävää ja kestää äärimmäisiä lämpötiloja. Hiekkapuhallus- ja hiontatoiminnot hyödyntävät sitä myös tehokkaasti keramiikkatuotannon ja rautametallien valmistuksen lisäksi.

Puhtaassa tilassaan piikarbidi on sähköinen eriste, mutta epäpuhtauksilla tai muilla elementeillä seostettuna sillä voi olla puolijohtavia ominaisuuksia, jolloin se on käyttökelpoinen erilaisissa elektronisissa laitteissa.

Aasian ja Tyynenmeren alue johtaa tällä hetkellä piikarbidin maailmanmarkkinoita matkapuhelinten tukiasemien ja radiotaajuuskomponenttien suuren kysynnän vuoksi, ja sen ennustetaan pysyvän ensisijaisena tulonlähteenä tulevina vuosina.

Piikarbidin markkinoita ohjaavia tekijöitä ovat teräksen tuotannon kasvu ja päästöttömän teknologian maailmanlaajuinen käyttöönotto. Sähköajoneuvoissa käytettävät piikarbidikomponentit todennäköisesti ruokkivat markkinoita entisestään, koska ne ovat energiatehokkaampia ja vievät vähemmän tilaa kuin polttoainepohjaiset vastineensa.

Sitä on vaikea käsitellä

Piikarbidilla on monia sovelluksia eri aloilla, mutta sen käsittely voi olla haastavaa. Tuotannossa piihiekkaa ja hiiltä kuumennetaan yhdessä korkealämpöisissä uuneissa, kunnes kaikki epäpuhtaudet on poistettu seoksesta (joidenkin arvioiden mukaan jätemateriaalin tuotanto on jopa 40%).

Piikarbidi toimii puhtaassa muodossaan eristeenä, mutta typellä tai fosforilla seostettuna siitä tulee puolijohde, ja sitä voidaan jopa seostaa alumiinilla, boorilla, galliumilla tai berylliumilla n- ja p-tyypin puolijohteiden tuottamiseksi, mikä tekee SiC:stä sopivan puolijohdemateriaalin sekä korkeissa lämpötiloissa että korkeilla tehotasoilla.

Piikarbidi voi olla vielä kallista, mutta siitä tulee ajan mittaan elektronisten laitteiden olennainen osa. Koska piikarbidin energiaväli on paljon suurempi kuin piin, piikarbidi mahdollistaa tavallista korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä toimivien laitteiden toiminnan. Tämä ominaisuus on erityisen tärkeä sähköajoneuvoissa, joissa kuluttajat vaativat pidempää toimintasädettä ja nopeampia latausaikoja.

Piikarbidi on ensin leikattava kiekoiksi, ennen kuin sitä voidaan käyttää elektroniikkalaitteissa. Tämä on pitkä ja tarkka prosessi, joka vaatii korkealaatuisia laitteita ja asiantuntemusta. Yksi merkittävä este piikarbidin laajalle levittämiselle on se, että sen kovuus vaikeuttaa sen leikkaamista, mikä johtaa hukkamateriaaliin ja alhaisempaan tuotokseen.

Sitä käytetään elektronisissa ajoneuvoissa

Piikarbidi (SiC) on edistyksellinen kolmannen sukupolven puolijohdemateriaali, jonka avulla on mahdollista parantaa merkittävästi sähköajoneuvojen suorituskykyä ja tehokkuutta. SiC:llä on perinteistä piitä paremmat sähköiset ominaisuudet, kuten korkeammat lämpötilat, suuremmat sallitut liitoslämpötilat, suurempi tehotiheys ja parempi säteilynkestävyys; lisäksi se pystyy käsittelemään tehokkaammin korkeita jännitteitä ja virtoja, mikä vähentää tehohäviöitä ja lisää tehokkuutta.

Piikarbidi on kova, hauras piistä ja hiilestä koostuva keraaminen aine, jolla on lukuisia käyttökohteita. Piikarbidia käytetään liimana karborundumhioma-aineissa ja luotiliiveissä, mutta se on myös korkean suorituskyvyn elektroniikassa, kuten tehoelektroniikkalaitteissa ja aurinkokennoissa, joissa piikarbidi on ainesosana. Piikarbidi voi auttaa säästämään valmistuskustannuksia lisäämällä käyttöikää ja vähentämällä komponenttien virrankulutusta, koska se lisää käyttöikää ja vähentää samalla virrankulutusta.

United Silicon Carbide on kehittänyt piikarbidipuolijohteita, jotka voivat auttaa teollisuutta löytämään keinoja pienentää sähköajoneuvojen voimansiirtohäviöitä ja toteuttaa tehokkaampia voimansiirtoverkkoja ja teholaitteita - jopa 30%:n tehohäviöiden vähennyksellä, suuremmalla tehotiheydellä, pienemmällä komponenttien määrällä ja nopeammilla latausjärjestelmillä kuin edellisen sukupolven puolijohteet. Nämä kolmannen sukupolven piikarbidipuolijohteet voivat mahdollistaa vielä nopeammat latausjärjestelmät sähköautoille.