Struktur och tillämpningar för kiselkarbid

Kiselkarbid, eller SiC, är ett extremt starkt och hållbart material med några unika elektriska egenskaper.

Kristallint kol kan kristalliseras till tätt packade strukturer som är kovalent bundna till varandra. Dess atomer bildar två primära koordinationstetraedrar med fyra kol- och fyra kiselatomer i varje hörn som länkas genom sina hörn för att bilda polytypstrukturer som kallas polytyper.

Fysikaliska egenskaper

Kiselkarbid är ett extremt hårt material med en Mohs-hårdhetsgrad mellan 9 och 10, vilket är ett mellanting mellan aluminiumoxid och diamant. Kiselkarbid används i stor utsträckning som slipmaterial i moderna lapidarier, vid slipning och maskinbearbetning, som eldfast foder i industriugnar, som skärverktyg, som slitstarka delar i pumpar och raketmotorer, som slitstarka grepptejper på skateboards samt som karborundumtryck - processen att applicera karborundumkorn på en aluminiumplatta och sedan trycka på papper med hjälp av rullbäddspressar (Mountain).

Syntetiska polykarbonater kan framställas syntetiskt med hjälp av antingen reaktionsbindning eller sintringsprocesser, där den senare förbättras genom tillsats av 0,5% kol eller 0,5% bor som sintringshjälpmedel för att förhindra ytdiffusion och modifiera korngränsenergin (Mountain).

SiC är en imponerande industriell keramik med olika mekaniska egenskaper som gör den ovärderlig i olika industriella miljöer. Med hög värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgning har användningen av SiC i kraftelektronik för drivsystem till markbundna elfordon blivit vanligare än någonsin. SiC:s elektriska egenskaper kan dessutom ersätta traditionella kiselhalvledare i högspänningsapplikationer som traktionsomvandlare för elfordon och DC/DC-omvandlare för laddstationer.

Kemiska egenskaper

Kiselkarbid kan dopas med kväve och fosfor för att bilda halvledare av n-typ, medan beryllium, bor, aluminium och gallium kan dopas i den för att skapa halvledare av p-typ. På grund av sin tätt packade och symmetriska struktur utgör kiselkarbid en idealisk plattform för dopning.

Eldfasta material är hårda, spröda och värmeledande. Det tål höga temperaturer och spänningar samtidigt som dess låga värmeutvidgningskoefficient ger fördelar när det används i applikationer som utsätts för temperaturvariationer.

Även om naturlig moissanit (Csi3SiO6) kan hittas i meteoriter och kimberlit, är den mesta kiselkarbid som säljs idag syntetisk. Den finns i många former från gröna till svarta kristallina korn till sex tums SiC-wafers som används för kraftelektronikapplikationer och är kemiskt inert eftersom den motstår korrosion från organiska syror och alkalier, med undantag för fluorvätesyra och svavelsyra; olöslig i vatten eller andra lösningsmedel men löslig i smälta alkalier som NaOH eller KOH.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är ett halvledarmaterial som befinner sig mellan metaller (som leder elektricitet) och isolatorer (som inte gör det). SiCs elektriska egenskaper beror på temperatur och föroreningar i dess sammansättning: vid låga temperaturer fungerar det som en isolator, medan dess ledningsförmåga blir märkbar vid högre temperaturer. Ledningsförmågan hos SiC kan förbättras ytterligare genom att tillsätta aluminium-, bor- eller galliumföroreningar som ökar antalet fria laddningsbärare och omvandlar SiC till en halvledare av P-typ.

Lerans kombination av fysiska och kemiska egenskaper gör den till ett attraktivt material i olika branscher, från keramiska plattor som ökar nötningsbeständigheten och bromsstyrkan, till dess höga värmeledningsförmåga och låga expansionskoefficient som gör att den kan användas i applikationer med höga temperaturer.

Dessutom gör det unika bandgapet att det kan arbeta vid högre spänningar och frekvenser än traditionell kiselbaserad elektronik, vilket gör det till ett perfekt material för kraftkomponenter som dioder, transistorer och tyristorer.

Termiska egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är en oorganisk keram med överlägsna termiska egenskaper, vilket gör den lämplig för många olika tillämpningar. Kiselkarbid används i allt från slitstarka delar och slipmedel på grund av sin hårdhet; i eldfasta material och keramik på grund av sin värmebeständighet och låga värmeutvidgning; samt i elektronik på grund av sin förmåga att leda elektricitet under extrema temperaturer.

SiC är en effektiv värmeledare tack vare sin diamantkubiska kristallstruktur där hälften av atomerna har ersatts med kisel, vilket ger en överlägsen värmeledningsförmåga. SiC har ett effektivt bandgap som gör att elektroner lätt kan röra sig mellan dess valens- och ledningsband jämfört med isolatorer som kräver stora mängder energi för att elektronerna ska kunna korsa detta gap mellan banden.

SiC:s kristallstruktur kan anta olika former, s.k. polytyper. Varje polytyp består av lager som är staplade i specifika staplingssekvenser som resulterar i unika atomarrangemang - detta ger SiC en extremt hög specifik värme och låg värmeutvidgningskoefficient.