Silīcija karbīda blīvums un pielietojums

Silīcija karbīds (SiC) ir viens no vieglākajiem un cietākajiem keramikas materiāliem. Tas izceļas ar noturību pret nodiluma un nodiluma radītiem bojājumiem, izturību pret ķīmisko vielu noplūdi, zemiem termiskās izplešanās rādītājiem un pašslīpēšanas spējām - šīs īpašības padara SiC par pievilcīgu izvēli.

SiC pusvadītājiem piemīt ārkārtīgi plaša joslu atstarpe, kas ļauj tiem strādāt pie augstākiem spriegumiem un frekvencēm nekā standarta silīcija ierīcēm, padarot tos par ideālu izvēli izmantošanai elektromobiļu ātrās uzlādes un enerģijas pārveidošanas lietojumos.

Blīvums

Silīcija karbīds (SiC) ir ciets materiāls ar augstu kušanas temperatūru, kas ir plaši pielietojams, pateicoties tā cietībai, stingrībai, izturībai pret koroziju, augstajai stiprībai, nelielam svaram un plašam darba temperatūras diapazonam. Turklāt SiC nodrošina izcilas siltumvadītspējas un elektriskās pretestības īpašības, kas ļauj samazināt elektrisko transportlīdzekļu energoelektronikas izmērus un svaru, kā arī palielināt braukšanas diapazonu, vienlaikus samazinot akumulatoru izmaksas.

Silīcija karbīda blīvums ir atkarīgs no tā kristāliskās struktūras. Dažādām polikristāliskām struktūrām piemīt atšķirīgs blīvums, savukārt sintēzes laikā esošie piemaisījumi var mainīt arī šo faktoru. Arī piedevas vai saķepināšanas palīglīdzekļi var mainīt blīvumu.

SiC ir keramikas materiāls, kas nav oksīds un ko parasti izmanto izstrādājumos, kuriem nepieciešama augsta izturība un veiktspēja termiski un mehāniski sarežģītās vidēs, tostarp abrazīvu nodilumizturīgās detaļās, karstumizturīgos un ķīmiski izturīgos keramikas ugunsizturīgajos materiālos, piemēram, keramikas un metalurģijas oderējumos, kā arī elektroniskajās ierīcēs, piemēram, gaismas diodēs (LED) un detektoros, pateicoties to pusvadītāju īpašībām.

Sastāvdaļas, kurām jādarbojas augstsprieguma vidē, aizsardzībai bieži izmanto oglekļa nanocaurules, jo to spēja izturēt augstspriegumu palīdz samazināt jaudas elektronikas izmērus, izmaksas un sarežģītību, kas kļūst vēl svarīgāk, jo elektrisko transportlīdzekļu arhitektūras pāreja uz augstāku spriegumu ātrākai uzlādei un uzlabotai siltuma pārvaldībai. Šī īpašība padara oglekļa nanocaurules īpaši ideāli piemērotas šim lietojumam.

Siltumvadītspēja

Silīcija karbīds (SiC), sintētiski iegūts silīcija un oglekļa kristālisks savienojums, ir ārkārtīgi ciets materiāls ar lieliskām siltumvadītspējas īpašībām. SiC pielietojums ietver smilšpapīru, griešanas un slīpēšanas instrumentus, rūpniecisko krāšņu un ugunsizturīgo materiālu oderējumu, kā arī keramiskos substrātus, ko izmanto gaismas diodēs; keramiskie substrāti ir svarīgi arī LED displeju izgaismošanai, kā arī metalurģijas, aviācijas un autobūves nozarē.

Gan silīcija nitrīds, gan moisanīts ir karborunda materiāla veidi, kurus var izmantot kā abrazīvus. Abas šķirnes dabiski sastopamas Arizonas Canyon Diablo meteorītā; pirmo reizi mākslīgi to sintezēja amerikāņu izgudrotājs Edvards G. Ačsons, meklējot veidus, kā ražot mākslīgos dimantus 1891. gadā, un tam tika dots pašreizējais nosaukums; karborunds savā nosaukumā ietver gan silīcija, gan oglekļa elementus.

Silīcija karbīds ir dzelteni, zaļi līdz zilganīgi melni mirdzoši kristāli, kas sublimējas, sadaloties 2700 grādos pēc Celsija, ar ļoti augstu blīvumu 3,21 g cm-3 un nešķīst ūdenī. a-SiC polimorfa kristālstruktūra ir heksagonāla, līdzīga vurcītam, bet beta modifikācijām ir cinka blende kristālstruktūra, līdzīga dimantam.

Kā metodes SiC termisko īpašību novērtēšanai ir pieejamas zibspuldzes difūzijas testēšana, skenējošā elektronu mikroskopija ar enerģijas dispersijas spektrometriju un optiskā emisijas spektroskopija. Turklāt šim materiālam var izmantot arī tādas masas spektrometrijas metodes kā kvēlspuldzes masas spektrometrija, rentgenstaru fluorescence un lāzera inducētā sadalīšanās spektroskopija.

Elektriskā vadītspēja

Silīcija karbīds (SiC) ir platjoslas pusvadītāju materiāls, kas nozīmē, ka tā īpašības ļauj tam pārslēgties starp elektrovadītāja (kā vara vadi) un izolatora (kā plastmasas izolācija šiem vadiem) funkciju. Pateicoties SiC izturībai un plašajai joslas spraugai, elektriskā enerģija caur to var pārvietoties daudz efektīvāk nekā caur mazākiem joslas spraugas materiāliem, piemēram, tradicionālo pusvadītāju silīciju; tāpēc ar to var darbināt elektroniskās ierīces, kas darbojas pie augstām temperatūrām un sprieguma, neradot ievērojamus siltuma vai jaudas zudumus; piemēram, IGBT, bipolārie tranzistori, Šotkija diodes, MOSFET utt.

SiC tiek izmantots jau gandrīz 200 gadus, tomēr tikai nesen tas ir atrasts pielietojums automobiļu nozarē. SiC piemīt daudzas īpašības, kas to padara ideāli piemērotu izmantošanai automobiļos, tostarp tā izturība pret augstām temperatūrām un spriegumu.

Automobiļu rūpniecības ražotāji pakāpeniski pāriet no silīcija par labu SiC, lai uzlabotu elektrisko transportlīdzekļu (EV) akumulatoru vadības sistēmu kvalitāti, uzticamību un efektivitāti. SiC lieliskā siltumvadītspēja un elektrovadītspēja ļauj samazināt šo sistēmu aktīvās dzesēšanas vajadzības, tādējādi ietaupot izmaksas un svaru.

Cietība

Silīcija karbīds var lepoties ar vienu no augstākajām un visilgāk noturīgajām cietībām starp keramikas materiāliem, ierindojot to trešajā vietā uz Zemes pēc dimanta (jaunā Mosa cietība: 15) un bora karbīda (jaunā Mosa cietība: 13). Pateicoties tā ķīmiskajai inertumam, nodilumizturībai un augstajai kušanas temperatūrai, to bez bažām var izmantot skarbos vides apstākļos.

SiC ir ideāls materiāls bruņuvestes lietojumiem, jo tam piemīt spēcīgas aizsargīpašības pret liela ātruma triecieniem un plaša joslas sprauga, kas ļauj darboties augstākās temperatūrās un pie augstākiem spriegumiem.

Silicijs un ogleklis, kas savienoti kovalentās saitēs, nodrošina šim materiālam tik augstu cietību, ļaujot tam izturēt mehāniskās slodzes, kas bojātu citus materiālus, piemēram, alumīnija oksīdu un cirkoniju.

SiC cietību var ievērojami palielināt, ja to pārklāj ar epitaksijas grafēnu. Saskaņā ar pētījumiem, kuros izmantots dimanta indenteris, pierādīts, ka SiC, kas pārklāts ar atomāri plānu epitaksiskā grafēna slāni, pēc iespieduma dziļuma, kas trīssimt reižu pārsniedz tā biezumu, palielinās par 30%, tādējādi paverot ceļu īpaši cietiem, bet siltumvadāmiem silīcija karbīda substrātiem.