Piikarbidi - keskeinen teknologiamateriaali

Piikarbidi on viime aikoina noussut uudelleen tärkeäksi teknologiamateriaaliksi. SiC:tä käytettiin aiemmin lähinnä hioma-aineena ja teollisuusuunissa, mutta nyt sitä käytetään pitkäikäisissä mekaanisissa osissa ja keraamisissa tuotteissa.

Sintrattu (SiC) materiaali on itsesitoutuva, kova ja kestävä aine, joka on valmistettu kuumentamalla pii- ja hiiliatomit yhteen tetraedriseksi rakenteeksi. Kaupallisesti saatavilla olevia versioita on laajalti saatavilla.

Korkea jännitekestävyys

Piikarbidia esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina moissanite, mutta suurin osa piikarbidista on kuitenkin valmistettu. SiC:n koostumus koostuu sekä keraamisista että puolijohdeominaisuuksista, joten se on yksi markkinoiden mukautuvimmista tulenkestävistä materiaaleista.

Ylivoimaisen estojänniteominaisuutensa ja alhaisemman ominaisvastuksen ansiosta teho-MOSFETit ovat erinomainen vaihtoehto FRD:ille ja IGBT:ille suurnopeussovelluksissa, joissa kytkentävirrat ovat useita kilovoltteja ja joissa tehohäviöt pidetään mahdollisimman pieninä.

SiC-schottky-diodit ja MOSFETit eivät kärsi lämpökatkosta erittäin korkeissa lämpötiloissa, minkä ansiosta niillä voidaan saavuttaa korkeampia estojännitteitä paljon pienemmällä vastuksella kuin piilaitteilla.

Korkean lämpötilan kestävyys

Piikarbidi on epäorgaaninen keraaminen materiaali, joka tunnetaan erinomaisesta mekaanisesta lujuudestaan, korroosionkestävyydestään, kulutuskestävyydestään, hankauskestävyydestään ja lämmönjohtavuudestaan. Lisäksi se ei liukene veteen, alkoholiin tai happoihin - paitsi fluorivetyhappoon! - joten se soveltuu useimmille orgaanisille ja epäorgaanisille hapoille fluorivetyhappoa lukuun ottamatta.

Luonnossa esiintyy luonnollisia moissanittiesiintymiä, mutta laajamittainen tuotanto alkoi vuonna 1893, kun Edward Goodrich Acheson yritti syntetisoida timantteja. Acheson kehitti sähköuunin ja perusti Carborundum Companyn hioma-aineen massatuotantoa varten. Korkean lämpötilankestävyytensä ja kemiallisen hyökkäyksenkestävyytensä ansiosta sitä käytetään yleisesti masuunien vuoraukseen, kuparisulaton säiliöiden vuoraukseen ja sinkkiuunien kaarilevyjen vuoraukseen.

Korkea lämmönjohtavuus

Tämä materiaali kestää jopa 1800 C:n / 3272 F:n lämpötiloja hajoamatta, ja sen lämpölaajeneminen on vähäistä, joten se soveltuu kemiallisiin sovelluksiin, kuten syövyttävien kemikaalien, kuten fosfori-, rikki- ja typpihapon, erottamiseen.

Puhdas piikarbidi ei ole tehokas sähköjohdin, mutta sitä voidaan parantaa seostamalla sitä typellä, boorilla tai alumiinilla. Lisäksi piikarbidin laajempi kaistanleveys auttaa sitä voittamaan perinteisiin puolijohteisiin liittyvät rajoitukset korkeajännite- ja lämpötilasovelluksissa.

Korkea lujuus

Piikarbidi on yksi kovimmista ja kestävimmistä tunnetuista synteettisistä materiaaleista. Sitä esiintyy luonnossa moissanite-mineraaliesiintyminä hyvin pieniä määriä, mutta massatuotanto alkoi vuonna 1893, ja sitä käytettiin autojen keraamisissa jarruissa ja kytkimissä pitkäaikaisratkaisuina.

SiC toimii alkuperäisessä tilassaan sähköisenä eristeenä, mutta epäpuhtauksilla seostettuna siitä tulee aktiivinen puolijohde, jolla on P-tyypin ominaisuudet, kun taas boorilla seostettuna siitä tulee N-tyypin puolijohde.

SiC:n reaktiosintraus (RS) on yhä suositumpi valmistusprosessi sen alhaisen käsittelylämpötilan, muokkauskyvyn ja korkean puhtauden ansiosta. Valitettavasti RS-SiC:n mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus ja Youngin moduuli, ovat kuitenkin yleensä alhaisemmat kuin tavanomaisen sintratun piikarbidin.

Korkea kovuus

SiC on yksi kovimmista ihmiskunnan tuntemista materiaaleista, toiseksi kovinta vain timantin ja kuutiomaisen boorinitridin jälkeen. Se kestää hyvin eroosiota, korroosiota ja happoja, ja sen suuri säteilykovuus tekee siitä sopivan hiekkasuodattimien suodattimeksi.

SiC:tä esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina moissanite, joka löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1893 Arizonan Canyon Diablo -meteoriitista. Suurin osa nykyisin käyttämästämme hiilioksidista on kuitenkin synteettisesti tuotettu reaktiosidonta- ja sintrausprosesseja käyttäen.

Alumiinioksidia käytetään laajalti hiomalaikoissa, leikkuutyökaluissa ja tulenkestävissä vuorauksissa; lisäksi se tarjoaa erinomaisen kulutuskestävyyden autosovelluksissa ja luotiliiveissä.

Korkea kulutuskestävyys

Piikarbidi on kemiallisesti inerttiä, erittäin korroosionkestävää ja kestää jopa 1600oC:n lämpötiloja ilman, että sen lujuus tai kestävyys heikkenee. Lisäksi sen erinomainen hapettumiskestävyys mahdollistaa sen, että se säilyttää eheytensä näissä äärimmäisissä lämpötiloissa.

Kumar et al. raportoivat, että lyhyitä hiilinanokuituja sisältävä SiC-keramiikka osoitti pienempää kitkaa ja kulumista liukuessaan teräksisiä vastakappaleita vasten kuin ne, joissa ei ollut tällaisia voiteluaineita, ja jälkimmäinen johtui jännityskeskittymien rajoittamisesta hiilikalvon rajoituksen vuoksi.

SiC-keramiikan raekokoa voidaan pienentää käyttämällä sintrauslisäaineita ja lisäämällä lisäfaasia. Lisäksi lämpökäsittely rakeiden välisten faasien kiteyttämiseksi voi myös auttaa lieventämään niiden haitallisia vaikutuksia tribologiseen suorituskykyyn.

Pitkä käyttöikä

Pii on hyväksi havaittu materiaali, mutta sen rajat ovat tulleet ilmeisiksi suuritehoisissa sovelluksissa. SiC tarjoaa lisää kaistaleveyttä, jonka ansiosta elektroniikka voi toimia korkeammissa lämpötiloissa, taajuuksilla ja jännitteillä.

SiC-teholaitteet on rakennettu kestämään korroosiota, happoja ja korkeita lämpötiloja - ne sopivat erinomaisesti öljyn- ja kaasuntuotantoon. Keraamiset hiekkasuodattimet soveltuvat suodattimien pitkän käyttöiän ansiosta erinomaisesti myös sähköautojen latausasemiin tai korkealla sijaitseviin voimalaitoksiin, kuten aurinkoenergian muuntamisjärjestelmiin.