Struktura i zastosowania węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle wytrzymały i trwały materiał o wyjątkowych właściwościach elektrycznych.

Krystaliczny węgiel można znaleźć krystalizując w gęsto upakowanych strukturach, które są ze sobą kowalencyjnie związane. Jego atomy tworzą dwa podstawowe czworościany koordynacyjne z czterema atomami węgla i czterema atomami krzemu w każdym rogu, które łączą się w rogach, tworząc struktury wielopostaciowe zwane wielopostaciami.

Właściwości fizyczne

Węglik krzemu jest niezwykle twardym materiałem o twardości w skali Mohsa pomiędzy 9 a 10, plasującym się gdzieś pomiędzy tlenkiem glinu a diamentem. Węglik krzemu znajduje szerokie zastosowanie jako materiał ścierny w nowoczesnym lapidarstwie, w operacjach szlifowania i obróbki skrawaniem, jako wykładzina ogniotrwała w piecach przemysłowych, narzędziach skrawających, odpornych na zużycie częściach pomp i silników rakietowych, a także jako odporna na zużycie taśma chwytna na deskorolkach, a także w druku karborundowym - procesie nakładania ziarna karborundu na aluminiową płytkę, a następnie drukowania na papierze za pomocą pras z rolkowym łożem (Mountain).

Syntetyczne poliwęglany mogą być wytwarzane syntetycznie przy użyciu wiązania reakcyjnego lub procesów spiekania, przy czym te ostatnie są ulepszane poprzez dodanie węgla 0,5% lub boru 0,5% jako środka wspomagającego spiekanie, aby zapobiec dyfuzji powierzchniowej i zmodyfikować energię graniczną ziarna (Mountain).

SiC to imponująca ceramika przemysłowa o zróżnicowanych właściwościach mechanicznych, co czyni ją nieocenioną w różnych zastosowaniach przemysłowych. Dzięki wysokiej przewodności cieplnej i niskim współczynnikom rozszerzalności cieplnej, jego zastosowanie w elektronice mocy w naziemnych systemach napędowych pojazdów elektrycznych stało się bardziej powszechne niż kiedykolwiek wcześniej. Co więcej, właściwości elektryczne SiC mogą również zastąpić tradycyjne półprzewodniki krzemowe w zastosowaniach o wyższym napięciu, takich jak falowniki trakcyjne do pojazdów elektrycznych i przetwornice DC/DC do stacji ładowania.

Właściwości chemiczne

Węglik krzemu może być domieszkowany azotem i fosforem, tworząc półprzewodniki typu n, podczas gdy beryl, bor, aluminium i gal mogą być do niego domieszkowane, tworząc półprzewodniki typu p. Ze względu na ściśle upakowaną i symetryczną strukturę, węglik krzemu stanowi idealną platformę do domieszkowania.

Materiał ogniotrwały jest twardy, kruchy i przewodzi ciepło. Może wytrzymać wysokie temperatury i napięcia, a jego niski współczynnik rozszerzalności cieplnej zapewnia korzyści w zastosowaniach podlegających wahaniom temperatury.

Choć naturalny moissanit (Csi3SiO6) można znaleźć w meteorytach i kimberlitach, większość sprzedawanego obecnie węglika krzemu jest syntetyczna. Występuje w wielu formach, od zielonych do czarnych krystalicznych ziaren po sześciocalowe wafle SiC stosowane w elektronice mocy i jest chemicznie obojętny, ponieważ jest odporny na korozję kwasów organicznych i zasad, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i siarkowego; nierozpuszczalny w wodzie lub innych rozpuszczalnikach, ale rozpuszczalny w stopionych alkaliach, takich jak NaOH lub KOH.

Właściwości elektryczne

Węglik krzemu (SiC) jest materiałem półprzewodnikowym, znajdującym się pomiędzy metalami (które przewodzą prąd elektryczny) a izolatorami (które tego nie robią). Właściwości elektryczne SiC zależą od temperatury i zanieczyszczeń w jego składzie: w niskich temperaturach działa jak izolator; podczas gdy w wyższych temperaturach jego przewodnictwo staje się zauważalne. Przewodność SiC można dodatkowo poprawić poprzez dodanie zanieczyszczeń aluminium, boru lub galu, które zwiększają ilość wolnych nośników ładunku i przekształcają SiC w półprzewodnik typu P.

Połączenie właściwości fizycznych i chemicznych gliny sprawia, że jest ona atrakcyjnym materiałem w różnych gałęziach przemysłu, od płytek ceramicznych, które zwiększają odporność na ścieranie i wytrzymałość hamulców, po jej wysoką przewodność cieplną i niski współczynnik rozszerzalności, które pozwalają na wykorzystanie jej w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

Dodatkowo, jego unikalne pasmo przenoszenia pozwala mu działać przy wyższych napięciach i częstotliwościach niż tradycyjna elektronika oparta na krzemie, co czyni go idealnym materiałem do urządzeń zasilających, takich jak diody, tranzystory i tyrystory.

Właściwości termiczne

Węglik krzemu (SiC) to nieorganiczny materiał ceramiczny o doskonałych właściwościach termicznych, dzięki czemu nadaje się do wielu różnych zastosowań. Węglik krzemu znajduje zastosowanie w różnych aplikacjach, począwszy od części odpornych na zużycie i materiałów ściernych ze względu na swoją twardość; w materiałach ogniotrwałych i ceramice ze względu na odporność na ciepło i niską rozszerzalność cieplną; a także w elektronice, gdzie jego zdolność do przewodzenia prądu w ekstremalnych temperaturach.

SiC jest skutecznym przewodnikiem cieplnym ze względu na swoją diamentowo-sześcienną strukturę krystaliczną, w której połowa atomów została zastąpiona krzemem, co zapewnia doskonałą przewodność cieplną. SiC charakteryzuje się wydajnym pasmem wzbronionym, które umożliwia elektronom łatwe przemieszczanie się między pasmami walencyjnymi i przewodzenia w porównaniu z izolatorami, które wymagają nadmiernych ilości energii, aby elektrony mogły przekroczyć tę lukę między ich pasmami.

Struktura krystaliczna SiC może przybierać różne formy, znane jako wielotypy. Każdy poliptyp składa się z warstw ułożonych w określonych sekwencjach, które skutkują unikalnymi układami atomów - dzięki temu SiC ma wyjątkowo wysokie ciepło właściwe i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.