Vlastnosti karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) je mimořádně odolný materiál s extrémně vysokou tvrdostí 9 podle Mohsovy stupnice, jehož estetický vzhled se vyrovná diamantu.

Společnost EAG Laboratories má rozsáhlé zkušenosti s analýzou těchto vlastností SiC pomocí metod analýzy objemových vzorků i prostorově rozlišených analytických technik. Tento materiál může sloužit jak jako elektrický izolátor, tak jako polovodič.

Tvrdost

Karbid křemíku patří mezi nejtvrdší látky na světě; na Mohsově stupnici zaujímá deváté místo a co se týče tvrdosti, je na druhém místě hned za diamantem. Karbid boru a diamant jsou ještě tvrdší než karbid křemíku – mezi další oblasti jeho využití patří řezné nástroje, neprůstřelné vesty, automobilové díly a zrcadla pro astronomické dalekohledy. Tvrdý a pevný povrch karbidu křemíku je ideální pro použití jako brusiva a řezné nástroje, konstrukční materiály (neprůstřelné vesty), automobilové díly a zrcadla používaná v dalekohledech!

Keramika odolná proti tepelným šokům je mimořádně tvrdá neoxidová keramika. Díky své pevnosti, vysoké tepelné vodivosti, nízké míře tepelné roztažnosti a vynikající odolnosti proti oxidaci je tento materiál nepostradatelným žáruvzdorným materiálem.

Karbid křemíku (atomové číslo 14) a uhlík (atomové číslo 6) tvoří anorganickou sloučeninu známou jako karbid křemíku, s dvěma primárními koordinačními tetraedry tvořenými čtyřmi atomy uhlíku a čtyřmi atomy křemíku, které jsou k sobě kovalentně vázány, čímž vzniká mimořádně pevná a tuhá hustě uspořádaná struktura s vynikající pevností a tuhostí; její polytipy se mohou dokonce vrstvit a tvořit polytipy. Karbid křemíku vykazuje vlastnosti polovodiče s širokou zakázanou mezerou, což znamená, že k uvolnění elektronů z orbitálních stavů je zapotřebí třikrát méně energie než u křemíku.

Odolnost proti korozi

Nejdůležitější vlastností karbidu křemíku je jeho odolnost proti korozi. Je odolný nejen vůči nejagresivnějším kyselinám (kyselina chlorovodíková, sírová a fluorovodíková), zásadám a rozpouštědlům, jaké si lze představit – stejně jako vůči oxidačním činidlům, jako je kyselina dusičná nebo pára –, ale vyznačuje se dokonce i vynikajícími izolačními vlastnostmi, které ho chrání před poškozením extrémními teplotami nebo elektrickými poli.

Sintrovaný karbid křemíku vykazuje vynikající tepelnou odolnost díky své hustotě, tvrdosti, vlastnostem polovodiče s širokou energetickou mezerou, které umožňují nižší spotřebu energie elektronů při posunu vodivého pásma, a také díky svému nízkému koeficientu tepelné roztažnosti.

Odolnost proti korozi lze rovněž zvýšit přidáním slinovacích přísad, fází na hranicích zrn a pórovitosti; jejich druh a množství závisí na tom, jak rychle dochází ke korozním reakcím v různých prostředích.

Oxidační stavy karbidu křemíku lze regulovat díky tomu, že uhlík působí jako pasivační činidlo, což přispívá ke snížení rychlosti koroze a prodloužení životnosti výrobku při vystavení oxidačním podmínkám během provozu.

Tepelná vodivost

Karbid křemíku je mimořádně tvrdý materiál, který se svou tvrdostí řadí někde mezi oxid hlinitý (9 na Mohsově stupnici) a diamant (10). Díky kombinaci tvrdosti a tepelné stability je karbid křemíku vynikající volbou pro náročné mechanické aplikace v součástech, které jsou navrženy tak, aby odolávaly jak otěruvzdorným materiálům, tak žáruvzdorným materiálům.

Kromě toho je silikonová guma díky své vynikající odolnosti proti tepelným šokům a nízké míře tepelné roztažnosti velmi vhodná pro použití v prostředí s vysokými teplotami a pro součásti používané v potrubních systémech.

Karbid křemíku lze dopovat různými prvky, aby se změnily jeho elektronické vlastnosti. Dopováním dusíkem nebo fosforem se z něj stane polovodič typu n, zatímco dopováním beryllem, borem nebo hliníkem se z něj stane polovodič typu p.

Díky rozdílu v šířce zakázaného pásma mezi valenčním a vodivým pásmem u karbidu křemíku je pro elektrony obtížnější přecházet mezi těmito dvěma pásmy, což mu umožňuje vydržet až desetkrát silnější elektrická pole, než je tomu u křemíku, než dojde k jeho křehkosti a poruše.

Elektrická vodivost

Karbid křemíku vykazuje řadu elektrických vlastností, které lze přizpůsobit pomocí dopování. Dopování spočívá v přidávání nečistot do jeho krystalové struktury za účelem vytvoření volných elektronů a děr, které vedou elektřinu, čímž se dosahuje hodnot vodivosti SiC desetkrát vyšších než u křemíku.

Elektrické vlastnosti karbidu křemíku jsou do značné míry určovány jeho energetickou mezerou. Tento rozdíl mezi energetickými hladinami valenčního a vodivého pásma atomu určuje, jak silnému elektrickému poli může materiál odolat; karbid křemíku se vyznačuje širší energetickou mezerou než křemík, díky čemuž snáší téměř dvojnásobné napětí.

Díky své odolnosti vůči vysokému napětí je neodym ideálním materiálem pro použití v výkonových součástech elektromobilů, kde zajišťuje delší dojezd a vyšší účinnost řízení baterií. Navíc jeho nižší hmotnost ve srovnání s alternativními materiály, jako je nitrid galia, umožňuje výrobcům výkonové elektroniky výrazně snížit rozměry a hmotnost zařízení, přičemž díky minimálnímu koeficientu tepelné roztažnosti odolává vysokým teplotám.