Плотность и применение карбида кремния

Карбид кремния (SiC) - один из самых легких и твердых керамических материалов. Он отлично противостоит износу и истиранию, устойчив к химическим утечкам, имеет низкие показатели теплового расширения и способен к самозатачиванию - характеристики, которые делают SiC привлекательным выбором.

Полупроводники SiC обладают исключительно широкой полосой пропускания, что позволяет им работать при более высоких напряжениях и частотах, чем стандартные кремниевые устройства, что делает их идеальным выбором для использования в системах быстрой зарядки электромобилей и преобразования энергии.

Плотность

Карбид кремния (SiC) - это твердый материал с высокой температурой плавления, который находит широкое применение благодаря своей твердости, вязкости, коррозионной стойкости, высокой прочности, малому весу и широкому диапазону рабочих температур. Кроме того, SiC обладает превосходными свойствами теплопроводности и электрического сопротивления, что позволяет силовой электронике для электромобилей уменьшить размеры и вес, а также увеличить дальность поездки при снижении стоимости батареи.

Плотность карбида кремния зависит от его кристаллической структуры. Различные поликристаллические структуры имеют разную плотность, а примеси, присутствующие при синтезе, могут изменять и этот фактор. Добавки или средства для спекания также могут изменять его плотность.

SiC - это неоксидный керамический материал, обычно используемый в изделиях, требующих высокой прочности и производительности в условиях термических и механических нагрузок, включая износостойкие детали для абразивных материалов; термо- и химически стойкие керамические огнеупоры, такие как керамика и металлургическая футеровка; а также электронные устройства, такие как светоизлучающие диоды (LED) и детекторы, благодаря своим полупроводниковым свойствам.

Компоненты, которые должны работать в высоковольтных средах, часто используют углеродные нанотрубки для защиты, поскольку их способность выдерживать высокое напряжение помогает уменьшить размер, стоимость и сложность силовой электроники, что становится еще более важным по мере перехода к более высоким напряжениям в архитектуре электромобилей для ускорения зарядки и улучшения терморегулирования. Эта особенность делает углеродные нанотрубки особенно идеальными для данного применения.

Теплопроводность

Карбид кремния (SiC), синтетически полученное кристаллическое соединение кремния и углерода, представляет собой чрезвычайно твердый материал с отличными теплопроводными свойствами. Области применения SiC включают в себя наждачную бумагу, режущие и шлифовальные инструменты, футеровку промышленных печей и огнеупоров, а также керамические подложки, используемые в светоизлучающих диодах; керамические подложки также играют роль в подсветке светодиодных дисплеев, а также применяются в металлургической, аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Нитрид кремния и муассанит - это разновидности карборунда, которые могут использоваться в качестве абразивов. Обе разновидности встречаются в естественных условиях в аризонском метеорите Каньон-Дьябло; впервые он был синтезирован искусственно американским изобретателем Эдвардом Г. Ачесоном во время поиска способов получения искусственных алмазов в 1891 году и получил свое нынешнее название; карборунд включает в себя элементы как кремния, так и углерода.

Карбид кремния встречается в виде желто-зеленых или синевато-черных переливающихся кристаллов, которые сублимируют при разложении при температуре 2700 градусов Цельсия, имеет чрезвычайно высокую плотность 3,21 г см-3 и нерастворим в воде. Полиморф a-SiC имеет гексагональную кристаллическую структуру, похожую на вюртцит, в то время как бета-модификации демонстрируют кристаллическую структуру цинкового бленда, похожую на алмаз.

В качестве методов оценки тепловых свойств SiC можно использовать испытания на диффузию во вспышке, сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионной спектрометрией и оптическую эмиссионную спектроскопию. Кроме того, к этому материалу могут быть применимы такие объемные методы, как масс-спектрометрия тлеющего разряда, рентгеновская флуоресценция и спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя.

Электропроводность

Карбид кремния (SiC) - это полупроводниковый материал с широкой полосой пропускания, то есть его свойства позволяют ему переключаться между работой в качестве проводника (как медные провода) и изолятора (как пластиковая изоляция на проводах). Благодаря прочности и широкой полосе пропускания SiC электрическая энергия может проходить через него более эффективно, чем через материалы с меньшей полосой пропускания, такие как традиционный полупроводниковый кремний; поэтому он может питать электронные устройства, работающие при высоких температурах и напряжениях, без значительного выделения тепла или потерь мощности; примеры включают IGBT, биполярные транзисторы, диоды Шоттки, MOSFET и т. д.

SiC используется уже около 200 лет, но только недавно он нашел применение в автомобильной промышленности. SiC обладает многими качествами, которые делают его идеальным для использования в автомобилях, в том числе устойчивостью к высоким температурам и напряжениям.

Производители автомобильной промышленности постепенно отказываются от кремния в пользу SiC для повышения качества, надежности и эффективности систем управления батареями электромобилей (EV). Превосходная тепло- и электропроводность SiC позволяет эпоксидным композитам, содержащим SiC, снизить потребность в активном охлаждении этих систем и тем самым уменьшить их стоимость и вес.

Твердость

Карбид кремния обладает одной из самых высоких и долговечных твердостей среди керамических материалов, занимая третье место на Земле после алмаза (новая твердость по Моосу: 15) и карбида бора (новая твердость по Моосу: 13). Благодаря химической инертности, стойкости к истиранию и высокой температуре плавления его можно без опасений использовать в суровых условиях.

SiC - идеальный материал для бронежилетов благодаря своим сильным защитным свойствам от высокоскоростных ударов и широкой полосовой щели, позволяющей работать при более высоких температурах и напряжениях.

Кремний и углерод, соединенные ковалентными связями, обеспечивают этому материалу такую высокую твердость, позволяя ему выдерживать механические нагрузки, которые могли бы повредить другие материалы, такие как глинозем и диоксид циркония.

Твердость SiC может быть значительно увеличена при покрытии эпитаксиальным графеном. Согласно исследованиям с использованием алмазного индентора, твердость SiC, покрытого атомарно тонким слоем эпитаксиального графена, увеличивается на 30% при глубине вдавливания, в триста раз превышающей его толщину, что открывает путь к созданию сверхтвердых, но теплопроводных подложек из карбида кремния.