Kiselkarbid - ett viktigt tekniskt material

Kiselkarbid har nyligen fått ett uppsving som ett viktigt tekniskt material. SiC, som tidigare främst användes som slipmedel och i industriugnar, används nu i mekaniska delar och keramiska produkter med lång livslängd.

Sintrat material (SiC) är en självbindande, hård och hållbar substans som tillverkas genom att kisel- och kolatomer värms samman till en tetraedrisk struktur. Kommersiellt tillgängliga versioner är allmänt tillgängliga.

Högspänningsresistans

Kiselkarbid förekommer naturligt som det sällsynta mineralet moissanit, men det mesta av SiC tillverkas. Med både keramiska och halvledaregenskaper som utgör dess sammansättning är SiC ett av de mest anpassningsbara eldfasta materialen på marknaden idag.

På grund av sin överlägsna blockeringsspänning och lägre specifika motstånd är effekt-MOSFET:er ett utmärkt alternativ till FRD:er och IGBT:er för höghastighetsapplikationer som kräver switchströmmar på flera kilovolt samtidigt som effektförlusterna hålls på ett absolut minimum.

Schottky-dioder och MOSFET:er i SiC lider inte av termisk flykt vid extremt höga temperaturer, vilket gör att de kan uppnå högre blockeringsspänningar med mycket lägre on-motstånd jämfört med kiselkomponenter.

Motståndskraft mot höga temperaturer

Kiselkarbid är ett oorganiskt keramiskt material som är känt för sin överlägsna mekaniska styrka, korrosionsbeständighet, slitstyrka, nötningsbeständighet och värmeledningsförmåga. Dessutom är det olösligt i vatten, alkohol eller syror - utom fluorvätesyra! - vilket gör det lämpligt för de flesta organiska och oorganiska syror utom fluorvätesyra.

Naturliga moissanitfyndigheter förekommer naturligt, men storskalig produktion började 1893 av Edward Goodrich Acheson när han försökte syntetisera diamanter. Acheson utvecklade en elektrisk ugn och grundade Carborundum Company för massproduktion som slipmedel. På grund av sin motståndskraft mot höga temperaturer och kemiska angrepp används det ofta som foder i masugnar, kopparsmältningstankar och zinkugnarnas bågplåtar.

Hög värmeledningsförmåga

Materialet tål temperaturer på upp till 1.800 C / 3.272 F utan att försämras och har låg termisk expansion, vilket gör det lämpligt för kemiska tillämpningar inklusive separation av frätande kemikalier som fosfor-, svavel- och salpetersyror.

Ren kiselkarbid är inte en effektiv elektrisk ledare, men detta kan förbättras genom dopning med kväve, bor eller aluminium. Kiselkarbidens bredare bandgap gör det dessutom möjligt att övervinna de begränsningar som traditionella halvledare har i högspännings- och temperaturapplikationer.

Hög hållfasthet

Kiselkarbid är ett av de hårdaste och mest hållbara syntetiska material som finns. Det finns naturligt i mycket små mängder i moissanitmineralavlagringar, men massproduktionen inleddes 1893 för att användas i keramiska bilbromsar och kopplingar som långsiktiga lösningar.

SiC fungerar i sitt ursprungliga tillstånd som en elektrisk isolator, men när det dopas med föroreningar blir det en aktiv halvledare med egenskaper av P-typ medan dopning med bor ger egenskaper av N-typ.

Reaktionssintring (RS) av SiC är en alltmer populär tillverkningsprocess på grund av dess låga bearbetningstemperatur, formbarhet och höga renhet. Tyvärr tenderar dock de mekaniska egenskaperna hos RS-SiC, såsom hållfasthet och Young's modul, att vara lägre än för vanlig sintrad kiselkarbid.

Hög hårdhet

SiC är ett av de hårdaste material som mänskligheten känner till, näst efter diamant och kubisk bornitrid. Det är mycket motståndskraftigt mot erosion, korrosion och syra, med hög strålningshårdhet som gör det lämpligt att använda som filter på sandfilter.

SiC finns naturligt som det sällsynta mineralet moissanite, som först upptäcktes 1893 i Arizonas Canyon Diablo-meteorit. Men det mesta av det vi använder idag är syntetiskt framställt med hjälp av reaktionsbindning och sintringsprocesser.

Aluminiumoxid används ofta i slipskivor, skärverktyg och eldfasta infodringar; dessutom ger den utmärkt nötningsbeständighet i fordonsapplikationer och skottsäkra västar.

Hög slitstyrka

Kiselkarbid är kemiskt inert, mycket korrosionsbeständigt och tål temperaturer upp till 1600oC utan att försämras i styrka eller hållbarhet. Dessutom gör dess utmärkta oxidationsbeständighet att den behåller sin integritet vid sådana extrema temperaturer.

Kumar et al. rapporterade att SiC-keramer som innehöll korta kolnanofibrer uppvisade lägre friktion och slitage vid glidning mot stålmotsvarigheter än de utan sådana smörjmedel, där det senare berodde på att spänningskoncentrationen begränsades av kolfilmens begränsning.

Kornstorleken hos SiC-keramik kan minskas med hjälp av sintringstillsatser och tillsats av ytterligare en fas. Dessutom kan termisk exponeringsbehandling för att kristallisera intergranulära faser också bidra till att mildra deras negativa effekt på tribologiska prestanda.

Lång livslängd

Kisel är ett beprövat material, men dess begränsningar har blivit uppenbara i högeffektsapplikationer. SiC tar steget upp genom att erbjuda ytterligare bandgap som gör att elektroniken kan fungera vid högre temperaturer, frekvenser och spänningar.

SiC-kraftenheter är konstruerade för att motstå korrosion, syra och höga temperaturer - perfekt för olje- och gasproduktion. Den långa filterlivslängden gör att keramiska sandfilter också är idealiska för användning i laddningsstationer för elfordon eller kraftinstallationer på hög höjd, t.ex. system för omvandling av solenergi.