Czym jest węglik krzemu?

Węglik krzemu to obojętny związek chemiczny o wysokiej temperaturze topnienia i wrzenia, z którego można wytwarzać niereaktywne płytki ceramiczne stosowane w kamizelkach kuloodpornych. Ponieważ jest to również materiał półprzewodnikowy, węglik krzemu stanowi doskonały wybór materiałowy.

Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości elektryczne, krzem może potencjalnie zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych poprzez poprawę oszczędności energii przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru i wagi układów energoelektronicznych.

Twardość

Węglik krzemu (SiC) to obojętny i stabilny chemicznie związek składający się z węgla (C) i krzemu (Si). Występuje naturalnie jako klejnot moissanit, a jego masowa produkcja w postaci proszku ma miejsce od 1893 r. i jest wykorzystywany jako materiał ścierny oraz element kamizelek kuloodpornych.

SiC jest trzecim najtwardszym materiałem na Ziemi o twardości 13 w skali Mohsa, co czyni go wysoce odpornym na odkształcenia spowodowane ściskaniem. Jedynie diament (twardość 15 w skali Mohsa) i węglik boru (twardość 14 w skali Mohsa) przewyższają SiC pod względem odporności na odkształcenia pod wpływem ściskania.

Granulowany SiC jest stosunkowo kruchy, ale nadal można go złamać za pomocą piły diamentowej, a jego wysoka odporność na temperaturę i niewrażliwość chemiczna sprawiają, że nie ma na niego wpływu stężony kwas fluorowodorowy, kwas azotowy lub roztwory kwasu siarkowego; rozpuszcza się jednak w rozcieńczonych roztworach alkalicznych.

Spiekany reakcyjnie węglik krzemu (RSSC) to zaawansowana ceramika, która w ostatnich latach stała się materiałem do zastosowań pancernych, ze względu na niższe koszty produkcji w porównaniu z bezpośrednio spiekanym węglikiem krzemu (DSSC) i zerową porowatość. Gęstość RSSC wynosi ponad 3,04 g cm-3 dla pocisków z płaszczem/rdzeniem ołowianym i 3,08 g cm-3 dla pocisków przeciwpancernych, co zapewnia porównywalne osiągi balistyczne między RSSC i DSSC.

Materiały ścierne z węglika krzemu, takie jak węglik krzemu x4, są wysoce wydajnymi materiałami ściernymi, które sprawiają, że węglik krzemu x4 jest najlepszym wyborem do szlifowania, usuwania zadziorów, mieszania i wykańczania metali nieżelaznych, stali nierdzewnej i kompozytów. Idealny do szlifowania pod wysokim ciśnieniem w produkcji metali i przemyśle lotniczym, dzięki ziarnistości od 120 do 150, dzięki czemu nadaje się do intensywnego użytkowania w trudnych warunkach.

Przewodność cieplna

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle twardy związek chemiczny i półprzewodnik. Występujący naturalnie jako kamień szlachetny moissanit, SiC jest produkowany masowo od 1893 roku w postaci proszku i kryształów do użytku jako materiał ścierny lub w zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości - hamulce samochodowe, sprzęgła i kamizelki kuloodporne często wykorzystują SiC w swoich projektach ze względu na jego zdolność do wytrzymywania ekstremalnie wysokich temperatur.

SiC jest idealnym materiałem do zastosowań w energoelektronice ze względu na wysoką przewodność elektryczną, dużą przerwę pasmową i doskonałe właściwości termiczne. Może wytrzymać wysokie temperatury i prądy występujące w urządzeniach takich jak falowniki bez utraty napięcia lub wydajności prądowej; ponadto pomaga zmniejszyć wagę, jednocześnie zmniejszając rozmiar i rozmiar tych urządzeń.

SiC wyróżnia się wśród półprzewodników doskonałymi właściwościami termicznymi i niskim współczynnikiem rozszerzalności, dzięki czemu jest bardziej stabilny niż inne. Dzięki temu SiC może wytrzymać wyższe temperatury i dłuższą ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe bez degradacji lub uszkodzenia w miarę upływu czasu.

SiC jest doskonałym materiałem do stosowania w aplikacjach energoelektronicznych, w szczególności w falownikach, ze względu na doskonałą przewodność cieplną, ponieważ może zarządzać wyższymi prądami w niższych temperaturach, oferując jednocześnie mniejsze straty energii, które pomagają zwiększyć wydajność i żywotność urządzenia.

SiC oferuje wiele zalet w stosunku do swoich odpowiedników, jeśli chodzi o odporność na korozję, z wysokimi wartościami temperatury topnienia i wrzenia, które zmniejszają ryzyko utleniania i sprawiają, że są doskonałymi właściwościami izolatorów termicznych zapobiegającymi przenoszeniu ciepła między wewnętrznymi komponentami urządzeń.

SiC jest idealnym materiałem do zastosowania w żyroskopach ze względu na szeroki zakres temperatur pracy i odporność na wibracje, nie wspominając o znacznie wyższym współczynniku jakości w porównaniu do innych materiałów półprzewodnikowych.

Sześcienny SiC jest wytwarzany albo poprzez syntezę opartą na węglu, albo metodami chemicznego osadzania z fazy gazowej, przy czym obie metody obejmują wykorzystanie gazów połączonych w komorze wolnej od atmosfery, zanim zostaną uwolnione na powierzchnię wafla w celu osadzenia.

Odporność na szok termiczny

Odporność na szok termiczny odnosi się do zdolności materiałów do wytrzymywania nagłych zmian temperatury bez narażania się na wewnętrzne pęknięcia, co czyni je niezbędnymi w zastosowaniach związanych z produkcją półprzewodników i zaawansowanym technologicznie sprzętem. Węglik krzemu (SiC) oferuje doskonałe właściwości odporności na szok termiczny i powinien być brany pod uwagę, gdy jest narażony na wysokie wahania temperatury.

SiC można znaleźć w wielu produktach przemysłowych, od turbin gazowych i kuloodpornych płyt ceramicznych kamizelek po elektronikę zasilającą pojazdy elektryczne, gdzie jego zastosowanie pomaga zmniejszyć straty napięcia i prądu przy jednoczesnej poprawie wydajności cieplnej - pomagając w ten sposób zwiększyć zasięg jazdy, jednocześnie zmniejszając rozmiar i wagę komponentów elektroniki mocy.

Naukowcy przeprowadzili eksperyment, w którym ocenili odporność na szok termiczny SiC x4 wykonanego z azotku krzemu. Materiał ten ma wyższą wytrzymałość i przewodność cieplną w porównaniu do czystego węglika krzemu, dzięki czemu nadaje się do wysokowydajnych urządzeń elektronicznych; jednak jego niższa temperatura topnienia oznacza, że nie jest tak odporny na szok termiczny. Naukowcy odkryli, że dodanie azotku krzemu znacznie zwiększyło odporność na szok termiczny tego wariantu SiC o prawie 200 procent; czyniąc go wszechstronnym, ale opłacalnym materiałem odpowiednim do wymagających zastosowań.

Odporność na szok termiczny SiC x4 mogła wzrosnąć ze względu na porowatą matrycę grafitową, która zawiera stosunkowo małe kieszenie krzemowe, które są równomiernie rozmieszczone, w przeciwieństwie do konwencjonalnego silikonowanego materiału SiC, który zazwyczaj zawiera grubsze cząstki z wieloma większymi kieszeniami.

Ten nowy wynalazek charakteryzuje się zwiększoną odpornością na szok termiczny dzięki zastosowaniu SiC x4 z azotkiem krzemu, co czyni go szczególnie przydatnym w środowiskach RTP charakteryzujących się szybkimi zmianami temperatury, które wymagają niezwykle trwałych materiałów, aby uniknąć wewnętrznych pęknięć. Naukowcy odkryli, że ma on doskonałą odporność na szok termiczny w temperaturze 500 stopni Celsjusza, co jest istotną cechą w wielu środowiskach RTP.

Przewodność elektryczna

Węglik krzemu jest materiałem elektronicznym, znanym ze swoich wyjątkowych właściwości, które sprawiają, że jest on bardzo poszukiwany przez przemysł elektroniczny na całym świecie. Niektóre z jego niesamowitych właściwości to twardość, odporność na korozję i przewodność cieplna - cechy, które pozycjonują węglik krzemu do użytku w wymagających zastosowaniach przemysłowych.

SiC w stanie czystym działa jako izolator elektryczny; po wprowadzeniu zanieczyszczeń staje się półprzewodnikowy. Dzięki szerokiemu pasmu wzbronionemu (różnica energii między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa atomów w materiale), SiC jest idealny do zastosowań wysokonapięciowych, w których inne izolatory mogą okazać się nieodpowiednie ze względu na zbyt wysokie wymagania energetyczne dla elektronów do przejścia z jednego pasma do następnego.

Szerokie pasmo przenoszenia pozwala zmniejszyć straty napięcia, poprawić wydajność i zwiększyć moc w coraz bardziej kompaktowej obudowie, co czyni go idealnym do krytycznych zastosowań elektronicznych. Co więcej, niskie straty energii oznaczają, że może tolerować wyższe temperatury bez konieczności stosowania aktywnych systemów chłodzenia, które zwiększają wagę, koszty i złożoność sprzętu.

SiC jest idealny do stosowania w środowiskach narażonych na ekstremalną wilgoć i ciepło, takich jak samochodowe układy hamulcowe. Ze względu na doskonałą odporność na utlenianie, SiC jest doskonałym materiałem na narzędzia skrawające ze względu na jego zdolność do szlifowania metali takich jak stal i aluminium przy minimalnej degradacji lub zużyciu - jednym z powodów jest jego twardość w skali Mohsa wynosząca 9; tylko jeden stopień poniżej diamentu!

Wysokonapięciowe właściwości SiC sprawiają, że nadaje się on do stosowania w kluczowych komponentach energoelektronicznych pojazdów elektrycznych, z mniejszymi stratami mocy niż krzem, zmniejszonymi rozmiarami komponentów i lepszą ogólną wydajnością systemu. Pomaga to pojazdom elektrycznym osiągnąć większy zasięg przy krótszym czasie i kosztach ładowania, a także mniejszą zależność od zewnętrznych aktywnych systemów chłodzenia, które zwiększają wagę, koszty i ograniczenia przestrzenne.

Wszechstronne właściwości węglika krzemu sprawiły, że stał się on integralnym składnikiem wielu gałęzi przemysłu, z potencjałem do napędzania postępów w zakresie obsługi mocy i wydajności w 2024 roku i później. Ze względu na swoją trwałość, twardość, przewodność i niezawodność jest coraz częściej wykorzystywany w krytycznych zastosowaniach przemysłowych - z myślą o zwiększeniu wykonalności i niezawodności.