Застосування карбіду кремнію

Карбід кремнію - це сучасна кераміка, яка відома своєю міцністю, легкістю, хімічною інертністю і широко використовується в автомобілях та бронежилетах.

Едвард Гудріч Ачесон вперше успішно синтезував його штучно в 1891 році, використовуючи порошкоподібний кокс і вуглець як сировину, використовуючи порошкоподібний кокс як вихідний матеріал і вуглецевий порошок як сировину. Муассаніт зустрічається в природі у вигляді непрозорого мінералу, відомого як муассаніт, який був відкритий лауреатом Нобелівської премії хіміком Анрі Муассаном в каньйоні Діабло в Арізоні.

Автомобільна промисловість

Карбід кремнію може стати рішенням для автомобільної промисловості, яка прагне створити більш енергоефективні, надійні та екологічні транспортні засоби. Карбід кремнію пропонує потенціал для вирішення цих проблем шляхом покращення управління живленням в електромобілях (EV). Карбід кремнію має вищу критичну напруженість електричного поля, ніж традиційні прилади на основі кремнію, що призводить до зниження втрат потужності та вартості виробництва силових MOSFET/IGBT.

Карбід кремнію (хімічна формула: SiC) - це промислово вироблений синтетичний матеріал з найвищою твердістю серед природних і синтетичних матеріалів - 9 місце за шкалою Мооса, одразу після алмазу. Вперше його виробництво розпочав у 1891 році Едвард Ачесон, намагаючись створити штучні алмази, коли знайшов маленькі чорні кристали в електрично нагрітому розплаві вуглецю та кремнезему, які він подрібнив на порошок для використання в якості промислових абразивів та кераміки. Вогнетриви значно виграють від таких переваг карбіду кремнію, як висока твердість, низька щільність, низька швидкість теплового розширення і стійкість до хімічних впливів кислотних середовищ порівняно з аналогами, особливо кислотних хімічних речовин, таких як корозія.

Характеристики матеріалу, які роблять кераміку надзвичайно корисною, включають те, що вона є одним з найміцніших і найабразивніших матеріалів, що робить її ідеальним абразивним матеріалом і компонентом для виготовлення бронежилетів. Крім того, її твердість, в'язкість і міцність були покращені шляхом спікання, яке передбачає ущільнення порошку за високих температур до утворення щільних керамічних матеріалів, що використовуються у виробництві автомобільних гальм, зчеплень і пластин бронежилетів.

Карбід кремнію знаходить найширше застосування в напівпровідниковій електроніці, де його здатність витримувати більш високі температури, напруги і частоти, ніж пристрої на основі кремнію, принесла йому прізвисько "наступний кремній". Від інших напівпровідникових матеріалів карбід кремнію відрізняє квантово-механічне явище, відоме як широка заборонена зона.

Широка заборонена зона карбіду кремнію дозволяє йому проводити електричний струм ефективніше, ніж кремнію, що дає йому змогу працювати за значно вищих температур без втрати ефективності та надійності. Дійсно, деякі мікросхеми на основі кремнію не можуть працювати при температурі вище 300 градусів Цельсія, що зменшує витрати, складність і вагу систем активного охолодження.

Аерокосмічна галузь

Карбід кремнію широко використовується в аерокосмічній галузі завдяки своїй твердості, термостійкості, хімічній інертності та стійкості до термічних ударів. Крім того, хімічна інертність карбіду кремнію дозволяє уникнути проблем з корозією, а його твердість робить його ідеальним для використання в діодах з бар'єром Шотткі і MOSFET, які виробляють високу пробивну напругу з мінімальним опором включення в таких електронних пристроях, як силові прилади, такі як діоди з бар'єром Шотткі або MOSFET, які виробляють більш високу пробивну напругу при меншому опорі включення, ніж конкуруючі матеріали.

Оскільки його щільність вдвічі менша, ніж у титану або сталі, його легка, але водночас жорстка структура робить його привабливим матеріалом для виготовлення деталей літаків. Крім того, стійкість до космічної радіації робить його придатним для виготовлення дзеркал і структурних компонентів космічних апаратів.

Карбід кремнію має вражаючу міцність, зносостійкість, термостійкість та електропровідність, що робить його ключовим компонентом напівпровідникових пристроїв, які забезпечують високі частоти та швидку швидкість перемикання. Прогнозується швидке зростання ринку карбіду кремнію завдяки зростаючому попиту на цей матеріал у різних галузях економіки.

Карбід кремнію став одним з найпоширеніших автомобільних застосувань карбіду кремнію в гальмівних дисках з керамічно-матричного композиту (КМК), які можна знайти на багатьох спортивних автомобілях. Карбід кремнію підвищує його в'язкість і термічну стабільність, що забезпечує максимальну довговічність і продуктивність при високих температурах.

У виробництві карбіду кремнію використовуються численні передові технології. Реакційно зв'язаний карбід кремнію (RB-SiC), наприклад, утворюється шляхом змішування порошкоподібного кремнію і вуглецю з пластифікатором, надання йому потрібної форми перед випалюванням залишків пластифікатора і випалюванням. Реакційно зв'язаний карбід кремнію має відмінні механічні та термічні властивості.

Поверхнева мікрообробка (ПМО) вже давно використовується як процес швидкої обробки металевих деталей за допомогою звичайних інструментів, таких як пили, свердла та шліфувальні машини. Але її виробництво може бути трудомістким і дорогим для великих деталей через тривалий і дорогий процес спікання, а також складні операції травлення і шліфування - таким чином, виробництво значно сповільнюється. Тому для того, щоб прискорити цей виробничий цикл, був створений новий метод, відомий як поверхнева мікрообробка, який дозволяє виробляти деталі швидше, ніж раніше.

Компанія Washington Mills виробляє карбід кремнію CARBOREX(r) різних хімічних складів і розмірів для різних галузей промисловості, а наша команда експертів готова продемонструвати вам всі його можливості.

Електроніка

Карбід кремнію (SiC) - надзвичайно міцний керамічний матеріал з найвищою міцністю на розрив і температурою плавлення серед усіх сучасних керамічних матеріалів, що робить його придатним для високопродуктивних інженерних застосувань, пов'язаних з екстремальними умовами. SiC можна знайти в підшипниках насосів, піскоструминних інжекторах, клапанах і нагрівальних елементах - в умовах високого тиску і високих температур, таких як буріння нафтових і газових свердловин, він навіть забезпечує кращу корозійну стійкість, ніж металеві аналоги!

Кремній швидко стає важливим базовим матеріалом для електроніки. Широкозонний матеріал SiC має електронну ширину забороненої зони від 2,4 до 3,3 еВ (порівняно з шириною забороненої зони кремнію 1,1 еВ). Кожна кристалічна різновидність SiC має різні фізичні властивості, проте лише три з них (3C і 4H) підходять для електронних пристроїв завдяки своїй стабільності при високих температурах.

Кремній діоксид швидко стає однією з найцікавіших сфер застосування електроніки для електромобілів (EV). Системи керування батареями використовують високочутливі компоненти, які перетворюють і розподіляють різні напруги, необхідні для живлення склопідйомників, освітлювальних приладів і двигунів - ця складна задача вимагає швидкої, ефективної та надійної технології SiC для досягнення оптимальних результатів.

Оскільки електродвигуни генерують значну кількість тепла, робота при підвищених температурах може стати додатковою проблемою для систем керування акумуляторами. Напівпровідники SiC є ідеальним вибором для цієї високовольтної силової електроніки, оскільки вони витримують набагато вищі температури, ніж їхні кремнієві аналоги, і при цьому легко справляються зі стрибками напруги.

SiC також ідеально підходить для використання в зарядних пристроях та інверторах для електромобілів завдяки своїй здатності витримувати високочастотні стрибки напруги, що робить цей матеріал ідеальним матеріалом для ефективного та швидкого управління потоками енергії. Ці пристрої відіграють вирішальну роль у загальній ефективності акумулятора, оскільки вони впливають на швидкість і ефективність заряджання акумуляторів, а також визначають тривалість їхньої роботи між заряджаннями.

Зі зростанням попиту на електромобілі (EV) зростає і попит на передові технології керування акумуляторами. Конструкції електромобілів на основі карбіду кремнію можуть стати значним кроком вперед; Silicon Labs вже використовує SiC в таких ізольованих рішеннях для своїх власних конструкцій електромобілів.

Енергія

Технологія карбіду кремнію (SiC) широко використовується в енергетиці завдяки своїй енергоефективності, високій пропускній здатності та теплопровідності. SiC широко застосовується в електроніці, зокрема в силових електронних інверторах для електромобілів (EV), системах керування батареями (BMS), сонячних фотоелектричних модулях і фотоелектричних панелях; численні переваги SiC допомагають стимулювати зусилля з декарбонізації та зменшити залежність від вугілля і викопних видів палива.

Широкозонні напівпровідникові властивості карбіду кремнію дозволяють йому витримувати вищі температури і струми, ніж у пристроях на основі кремнію, і працювати при більш високих частотах і напругах, ніж інші матеріали в порівнянні з ними. Як результат, цей матеріал є чудовим вибором для таких застосувань, як інвертори для електромобілів/зарядні станції/системи живлення для відновлюваних джерел енергії, таких як вітрові/сонячні фотоелектричні панелі, а також для залізничного транспорту.

Карбід кремнію (SiC) - це кристалічний матеріал, який зустрічається в різних формах або політипах, кожен з яких має унікальні фізичні та електричні характеристики. Складений з атомів кремнію, ковалентно пов'язаних з атомами вуглецю в тетраедричній структурі зв'язку, SiC є однією з найтвердіших речовин, відомих науці - конкурує з алмазом і карбідом бору як одна з найтвердіших відомих речовин.

Може виникати нескінченна кількість послідовностей укладання, що призводить до політипів з кубічною, гексагональною та ромбоедричною кристалічною структурою. Зазвичай їх вирощують епітаксійним методом хімічного осадження з газової фази для точного контролю товщини епітаксійного шару, а також домішкового легування.

У чистому вигляді карбід кремнію поводиться як електричний ізолятор, однак контрольоване легування домішками може змінити його електричні властивості і перетворити на напівпровідник. Легування карбіду кремнію алюмінієм створює напівпровідник p-типу, тоді як легування фосфором або азотом створює напівпровідник n-типу.

Особливі фізичні властивості карбіду кремнію роблять його дуже бажаним матеріалом для дзеркал астрономічних телескопів. Твердий і жорсткий, з низьким коефіцієнтом теплового розширення, він витримує екстремальні температури, не розширюючись і не стискаючись. Крім того, його жорсткість запобігає дифракції світла, що робить його ідеальним матеріалом для дзеркал телескопів, які відбивають світло - вперше використаний космічним телескопом Гершеля, але з тих пір прийнятий кількома обсерваторіями.