Struktur og bruksområder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid, eller SiC, er et ekstremt sterkt og slitesterkt materiale med noen unike elektriske egenskaper.

Krystallinsk karbon kan krystallisere seg i tettpakkede strukturer som er kovalent bundet sammen. Atomene danner to primære koordinasjonstetraederer med fire karbon- og fire silisiumatomer i hvert hjørne, som kobles sammen gjennom hjørnene for å danne polytypestrukturer kalt polytyper.

Fysiske egenskaper

Silisiumkarbid er et ekstremt hardt materiale med en Mohs-hardhetsgrad på mellom 9 og 10, et sted mellom aluminiumoksid og diamant. Silisiumkarbid brukes i stor utstrekning som slipemateriale i moderne lapidarium, ved sliping og maskinbearbeiding, som ildfast foring i industriovner, skjæreverktøy, slitesterke deler i pumper og rakettmotorer, som slitesterk gripetape på skateboard og i karborundumtrykk - prosessen der man påfører karborundumkorn på en aluminiumsplate og deretter trykker på papir ved hjelp av rullende trykkpresser (Mountain).

Syntetiske polykarbonater kan produseres syntetisk ved hjelp av enten reaksjonsbinding eller sintringsprosesser, der sistnevnte forbedres ved tilsetning av 0,5% karbon eller 0,5% bor som sintringshjelpemiddel, for å forhindre overflatediffusjon og endre korngrensenergien (Mountain).

SiC er en imponerende industriell keramikk med mange ulike mekaniske egenskaper som gjør den uvurderlig i ulike industrielle miljøer. Med sin høye varmeledningsevne og lave termiske ekspansjonshastighet er bruken av SiC i kraftelektronikk for elektriske drivsystemer til landbaserte kjøretøy blitt mer utbredt enn noensinne. De elektriske egenskapene til SiC kan også erstatte tradisjonelle silisiumhalvledere i høyspenningsapplikasjoner som traksjonsomformere for elektriske kjøretøyer og DC/DC-omformere for ladestasjoner.

Kjemiske egenskaper

Silisiumkarbid kan dopes med nitrogen og fosfor for å danne halvledere av n-typen, mens beryllium, bor, aluminium og gallium kan dopes inn i det for å lage halvledere av p-typen. På grunn av sin tettpakkede og symmetriske struktur er silisiumkarbid en ideell plattform for doping.

Ildfaste materialer er harde, sprø og varmeledende. Det tåler høye temperaturer og spenninger, samtidig som den lave varmeutvidelseskoeffisienten gir fordeler når det brukes i applikasjoner som er utsatt for temperaturvariasjoner.

Selv om naturlig moissanitt (Csi3SiO6) finnes i meteoritter og kimberlitt, er det meste av silisiumkarbidet som selges i dag syntetisk. Det finnes i mange former, fra grønne til svarte krystallinske korn til 15 cm store SiC-plater som brukes til kraftelektronikk, og er kjemisk inert, ettersom det motstår korrosjon fra organiske syrer og baser, med unntak av flussyre og svovelsyre. Det er uoppløselig i vann eller andre løsemidler, men oppløselig i smeltede alkalier som NaOH eller KOH.

Elektriske egenskaper

Silisiumkarbid (SiC) er et halvledermateriale som befinner seg mellom metaller (som leder strøm) og isolatorer (som ikke gjør det). SiCs elektriske egenskaper avhenger av temperatur og urenheter i sammensetningen: Ved lave temperaturer fungerer det som en isolator, mens ledningsevnen blir merkbar ved høyere temperaturer. Ledningsevnen til SiC kan forbedres ytterligere ved å tilsette aluminium, bor eller gallium, som øker antallet frie ladningsbærere og omdanner SiC til en halvleder av P-typen.

Kombinasjonen av leirens fysiske og kjemiske egenskaper gjør den til et attraktivt materiale i ulike bransjer, fra keramiske plater som øker slitestyrken og bremsestyrken, til den høye varmeledningsevnen og lave ekspansjonskoeffisienten som gjør at den kan brukes i applikasjoner med høye temperaturer.

I tillegg gjør det unike båndgapet at det kan operere ved høyere spenninger og frekvenser enn tradisjonell silisiumbasert elektronikk, noe som gjør det til det perfekte materialet for kraftkomponenter som dioder, transistorer og tyristorer.

Termiske egenskaper

Silisiumkarbid (SiC) er en uorganisk keramikk med overlegne termiske egenskaper, noe som gjør den egnet til mange ulike bruksområder. Silisiumkarbid brukes i alt fra slitesterke deler og slipemidler på grunn av sin hardhet, i ildfaste materialer og keramikk på grunn av sin varmebestandighet og lave termiske ekspansjon, samt i elektronikk på grunn av sin evne til å lede strøm under ekstreme temperaturer.

SiC er en effektiv varmeleder på grunn av sin diamantkubiske krystallstruktur der halvparten av atomene er erstattet med silisium, noe som gir en overlegen varmeledningsevne. SiC har et effektivt båndgap som gjør det enkelt for elektronene å bevege seg mellom valens- og ledningsbåndene, sammenlignet med isolatorer som krever store mengder energi for at elektronene skal krysse dette gapet mellom båndene sine.

SiCs krystallstruktur kan anta ulike former, kjent som polytyper. Hver polytype består av lag som er stablet i spesifikke stablingssekvenser som resulterer i unike atomarrangementer - dette gir SiC en ekstremt høy spesifikk varme og lav termisk utvidelseskoeffisient.