Wat is siliciumcarbide?

Siliciumcarbide is een inerte chemische verbinding met een hoog smelt- en kookpunt, waarvan niet-reactieve keramische platen kunnen worden gemaakt die worden gebruikt in kogelvrije vesten. Omdat het ook een halfgeleidermateriaal is, is siliciumcarbide een uitstekende materiaalkeuze.

Door zijn uitzonderlijke elektrische eigenschappen heeft silicium het potentieel om het rijbereik van elektrische voertuigen te vergroten door het energiebehoud te verbeteren en tegelijkertijd de grootte en het gewicht van vermogenselektronische systemen te verminderen.

Hardheid

Siliciumcarbide (SiC) is een inerte en chemisch stabiele verbinding die bestaat uit koolstof (C) en silicium (Si). Het komt van nature voor als de edelsteen moissaniet en wordt sinds 1893 in poedervorm op grote schaal geproduceerd voor gebruik als schuurmiddel en als onderdeel van keramische platen voor kogelvrije vesten.

SiC is het op twee na hardste materiaal op aarde met een Mohs-hardheid van 13, waardoor het zeer goed bestand is tegen vervorming door compressie. Alleen diamant (Mohs-hardheid van 15) en boorcarbide (Mohs-hardheid van 14) overtreffen de veerkracht van SiC tegen vervorming door compressie.

Korrelig SiC is relatief bros maar kan nog wel worden gebroken met een diamantzaag, terwijl het door zijn hoge temperatuurbestendigheid en chemische ongevoeligheid niet wordt aangetast door geconcentreerd fluorwaterstofzuur, salpeterzuur of zwavelzuuroplossingen; het lost echter wel op in verdunde alkali-oplossingen.

Reactiegesinterd siliciumcarbide (RSSC) is een geavanceerd keramiek dat de laatste jaren het meest gebruikte materiaal is geworden voor pantsertoepassingen, vanwege de lagere productiekosten in vergelijking met direct gesinterd siliciumcarbide (DSSC) en de poreuze eigenschappen. RSSC heeft dichtheden van meer dan 3,04 g cm-3 voor projectielen met een mantel/loodkern en 3,08 g cm-3 voor pantserdoorborende projectielen voor vergelijkbare ballistische prestaties met vergelijkbare ballistische prestaties tussen RSSC en DSSC.

Siliciumcarbide slijpmiddelen, zoals x4 siliciumcarbide, zijn zeer efficiënte slijpmiddelen die x4 siliciumcarbide de keuze bij uitstek maken voor slijpen, ontbramen, mengen en finishen van non-ferrometalen, roestvast staal en composieten. Ideaal voor hogedruk slijptoepassingen in metaalfabricage en ruimtevaart productie omgevingen met zijn 120 tot 150 korrelgrootte waardoor het geschikt is voor zwaar gebruik in zware omstandigheden.

Thermische geleidbaarheid

Siliciumcarbide (SiC) is een extreem harde chemische verbinding en halfgeleider. SiC komt van nature voor als de edelsteen moissaniet en wordt sinds 1893 in massa geproduceerd als poeder en kristal voor gebruik als schuurmiddel of in toepassingen die een groot uithoudingsvermogen vereisen - remmen, koppelingen en kogelvrije vesten in auto's verwerken SiC vaak in hun ontwerpen omdat het bestand is tegen extreem hoge temperaturen.

SiC is een ideaal materiaal voor toepassingen in de vermogenselektronica vanwege zijn hoge elektrische geleidbaarheid, grote bandkloof en uitstekende thermische eigenschappen. Het is bestand tegen de hoge temperaturen en stromen die voorkomen in apparaten zoals omvormers zonder verlies in spanning of stroomefficiëntie; bovendien helpt het gewicht te verminderen en tegelijkertijd de afmetingen en afmetingen van deze apparaten te verkleinen.

SiC onderscheidt zich onder de halfgeleiders door zijn superieure thermische eigenschappen en lage uitzettingscoëfficiënt, waardoor het stabieler is dan andere. Hierdoor is SiC bestand tegen hogere temperaturen en langere blootstelling aan ultraviolette straling zonder na verloop van tijd te degraderen of beschadigd te raken.

SiC is een uitstekend materiaal om te gebruiken in vermogenselektronische toepassingen, met name in omvormers, vanwege de uitstekende thermische geleidbaarheid, omdat het hogere stromen kan verwerken bij lagere temperaturen, terwijl het ook minder energieverliezen biedt die de efficiëntie en levensduur van het apparaat helpen verbeteren.

SiC biedt veel voordelen ten opzichte van zijn tegenhangers als het gaat om corrosiebestendigheid, met hoge smeltpunt- en kookpuntwaarden die het risico op oxidatie verminderen en zorgen voor geweldige thermische isolatie-eigenschappen die warmteoverdracht tussen interne componenten van apparaten voorkomen.

SiC is een ideaal materiaal voor gebruik in gyroscopen vanwege het brede bedrijfstemperatuurbereik en de weerstand tegen trillingen, om nog maar te zwijgen van de aanzienlijk hogere kwaliteitsfactor in vergelijking met andere halfgeleidermaterialen.

Kubisch SiC wordt geproduceerd door middel van synthese op basis van koolstof of chemische dampdepositiemethoden, waarbij gassen worden gecombineerd in een atmosfeervrije kamer voordat ze op een waferoppervlak worden vrijgelaten voor afzetting.

Weerstand tegen thermische schokken

Weerstand tegen thermische schokken verwijst naar het vermogen van materialen om plotselinge temperatuurschommelingen te weerstaan zonder dat er inwendige barsten ontstaan, waardoor ze essentieel zijn in toepassingen voor de productie van halfgeleiders en hightechapparatuur. Siliciumcarbide (SiC) is uitstekend bestand tegen thermische schokken en moet worden overwogen als het wordt blootgesteld aan grote temperatuurschommelingen.

SiC is te vinden in tal van industriële producten, van gasturbines en keramische platen voor kogelvrije vesten tot vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, waar de toepassing ervan spannings- en stroomverliezen helpt verminderen en tegelijkertijd de thermische efficiëntie verbetert - waardoor de rijafstand toeneemt en tegelijkertijd de omvang en het gewicht van vermogenselektronicacomponenten afneemt.

Onderzoekers voerden een experiment uit waarbij de thermische schokbestendigheid van x4 SiC gemaakt met siliciumnitride werd beoordeeld. Dit materiaal heeft een hogere sterkte en thermische geleidbaarheid in vergelijking met puur siliciumcarbide, waardoor het geschikt is voor krachtige elektronische apparaten; het lagere smeltpunt betekent echter dat het minder goed bestand is tegen thermische schokken. Onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van siliciumnitride de weerstand tegen thermische schokken van deze variant van SiC aanzienlijk verhoogde met bijna 200 procent, waardoor het een veelzijdig en toch kosteneffectief materiaal werd dat geschikt is voor veeleisende toepassingen.

De thermische schokbestendigheid van x4 SiC is mogelijk toegenomen door de poreuze omgezette grafietmatrix die relatief kleine siliciumzakken bevat die gelijkmatig verdeeld zijn, in tegenstelling tot conventioneel gesiliconiseerd SiC-materiaal dat doorgaans grovere deeltjes bevat met veel meer grote zakken.

Deze nieuwe uitvinding heeft een verbeterde thermische schokbestendigheid van x4 SiC met siliciumnitride, waardoor het bijzonder geschikt is voor RTP-omgevingen die worden gekenmerkt door snelle temperatuurschommelingen die extreem duurzame materialen vereisen om inwendige scheurvorming te voorkomen. Onderzoekers ontdekten dat de thermische schokbestendigheid van 500°C uitstekend was - een essentiële eigenschap voor veel RTP-omgevingen.

Elektrische geleidbaarheid

Siliciumcarbide is een elektronisch materiaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijke eigenschappen waardoor het zeer gewild is bij elektronica-industrieën over de hele wereld. Enkele opmerkelijke eigenschappen zijn hardheid, corrosiebestendigheid en thermische geleidbaarheid - kwaliteiten die siliciumcarbide geschikt maken voor gebruik in veeleisende industriële toepassingen.

SiC in zuivere vorm werkt als een elektrische isolator; wanneer het onzuiverheden bevat, wordt het halfgeleidend. Dankzij de brede bandkloof (het energieverschil tussen valentie- en geleidingsbanden van atomen in een materiaal) is SiC ideaal voor hoogspanningstoepassingen waar andere isolatoren ongeschikt zouden kunnen blijken omdat er te veel energie nodig is voor elektronen om van de ene band over te gaan naar de volgende.

Dankzij deze brede bandkloof kan het spanningsverlies worden beperkt, de efficiëntie worden verbeterd en de belastbaarheid worden verhoogd in een steeds compactere behuizing, waardoor het perfect is voor kritieke elektronische toepassingen. Bovendien betekent het lage energieverlies dat het hogere temperaturen kan verdragen zonder dat er actieve koelsystemen nodig zijn die gewicht, kosten en complexiteit aan apparatuur toevoegen.

SiC is ideaal voor gebruik in omgevingen die blootstaan aan extreme vochtigheid en hitte, zoals remsystemen in auto's. Door de uitstekende oxidatieweerstand is SiC een uitstekende materiaalkeuze voor snijgereedschappen, omdat het metalen zoals staal en aluminium kan slijpen met minimale degradatie of slijtage - een van de redenen hiervoor is de Mohs-hardheidsclassificatie van 9; slechts één stap onder diamant!

De hoogspanningseigenschappen van SiC maken het geschikt voor gebruik in belangrijke vermogenselektronische componenten van elektrische voertuigen, met lagere vermogensverliezen dan silicium, kleinere componenten en betere algemene systeemprestaties. Dit helpt EV's om een groter bereik te bereiken met kortere oplaadtijden en -kosten en minder afhankelijkheid van externe actieve koelsystemen die gewicht, kosten en ruimte toevoegen.

De veelzijdige eigenschappen van siliciumcarbide hebben het tot een integraal onderdeel van veel industrieën gemaakt, met het potentieel om tot ver in 2024 en daarna vooruitgang te boeken op het gebied van energieverwerking en efficiëntie. Vanwege zijn duurzaamheid, hardheid, geleidbaarheid en betrouwbaarheid wordt het steeds vaker gebruikt in kritieke industriële toepassingen - met het oog op een grotere haalbaarheid en betrouwbaarheid.