Siliziumkarbid-Elemente

Siliziumkarbid, eine extrem harte, synthetisch hergestellte kristalline Verbindung aus Kohlenstoff und Silizium, wird seit dem späten 19. Jahrhundert für Schleifpapier, Schleifscheiben und Schneidwerkzeuge verwendet.

Das Zerspanungsverhalten von SiCp/Al-Verbundwerkstoffen wird in hohem Maße von den geometrischen Eigenschaften der inneren Mikrostrukturen beeinflusst, wobei die Partikelgröße und -verteilung einen enormen Einfluss auf die Zerspanungsleistung hat.

Hohe Temperatur

Siliciumcarbid (SiC) ist ein keramisches Material, das für seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und Langlebigkeit bekannt ist, was es zum perfekten Werkstoff für Heizelemente in verschiedenen industriellen Anwendungen macht. SiC-Heizelemente spielen eine zentrale Rolle in Elektroöfen und sind in Bereichen wie der Metallurgie, der Keramik und der Elektronikherstellung unverzichtbar.

SiC-Heizelemente bieten mehrere deutliche Vorteile gegenüber elektrischen Heizelementen aus Metall: Aufgrund ihrer hohen Temperaturtoleranz und ihrer gleichbleibenden Leistung über große Flächen hinweg oxidieren sie nicht mit der Zeit und bilden keinen Siliziumdioxidfilm. Sie sind daher die ideale Wahl für industrielle Prozesse, die hohe Betriebstemperaturen und eine präzise Temperaturregelung erfordern.

SiC-Heizelemente gibt es in zwei polymorphen Formen: Alpha und Beta. Die Alpha-Variante weist eine Wurtzit-Kristallstruktur auf, während die Beta-Variante zinkblendeartige Eigenschaften aufweist, die an Diamant erinnern. Beide Typen können in Hochtemperaturumgebungen effektiv arbeiten, aber die Oxidationsbeständigkeit variiert je nach Kristallstruktur und anderen Eigenschaften des Polymorphs.

Molybdändisilicid (MoSi2) ist ein dichtes Cermet-Material, das sich für Anwendungen eignet, die höhere Betriebstemperaturen und Leistungsdichten erfordern, als sie von Standard-Metall- und SiC-Elementen erreicht werden können. Es kommt häufig in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz, wo die Anforderungen an die Leistungsdichte die vorhandenen Möglichkeiten übersteigen.

Keith Company bietet beide Typen von SiC-Heizelementen für eine Reihe von industriellen Anwendungen an. SiC-Heizelemente des Typs SC werden in großem Umfang in Wärmebehandlungsöfen zum Glühen, Härten, Anlassen und Aufkohlen sowie in Brennöfen für Keramik- und Glasherstellungsprozesse eingesetzt.

Hochspannung

Siliziumkarbid-Heizelemente werden häufig für Hochtemperatur-Elektroöfen in der metallurgischen Industrie verwendet und bieten aufgrund ihrer höheren Betriebstemperatur, ihrer Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und ihrer langen Lebensdauer Vorteile gegenüber elektrischen Heizelementen aus Metall. Auch die Wartung ist einfach: Sie werden in der Regel von einstellbaren Transformatoren oder siliziumgesteuerten Gleichspannungsreglern mit flexiblen Anschlussmöglichkeiten entweder in Reihe oder parallel versorgt.

In der SiC-Leistungselektronik werden in der Regel Leistungsbauelemente wie Schottky-Dioden, p+n-Dioden (gemeinhin als Pin-Dioden bezeichnet), vertikale MOSFETs vom Planartyp und bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet. Ihr schematischer Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Unter Vorwärtsspannungsbedingungen müssen diese Bauelemente den Strom mit minimalem Widerstand durchlassen, während sie Sperrspannungen vollständig blockieren.

Die Physik hinter diesen Leistungshalbleitern kann komplex sein und erfordert besondere Sorgfalt und Überlegungen. So sind beispielsweise die Ionisierungskoeffizienten von Elektronen in SiC aufgrund der höheren effektiven Masse der vorhandenen Elektronen tendenziell viel niedriger als in Silizium.

SiC-Dioden müssen eine 10-mal dünnere und stärker dotierte n-Schicht als ihr Si-Gegenstück enthalten, um eine gleichwertige Durchbruchsspannung zu erreichen, was bedeutet, dass ihre Stromdichte-Gegenspannungs-Kennlinien entlang unterschiedlicher Kurven verlaufen, was durch Stoßionisation oder Band-zu-Band-Tunneleffekte erklärt werden kann.

Geringe Resistenz

SiC-Elemente sind keramische Produkte mit der Fähigkeit, Strom zu leiten. Diese Elemente verfügen über metallisierte Enden, die es dem Benutzer ermöglichen, verschiedene Drähte oder Kabel direkt an sie anzuschließen, was eine vertikale oder horizontale Installation je nach Installationsanforderungen und Arbeitsumgebungen wie Luft, kontrollierte Atmosphären oder Vakuumumgebungen ermöglicht.

Die Widerstandsfähigkeit von SiC-Elementen nimmt in temperaturkontrollierten Umgebungen ab und steigt allmählich an, wenn sie höheren Temperaturen ausgesetzt werden, was sowohl auf temperatur- als auch auf zeitabhängige Phänomene zurückzuführen ist, wie z. B. die Bildung von Oxidationspartikeln aufgrund der hohen Temperaturen, die während des Ofenbetriebs entstehen; darüber hinaus hängt die Widerstandsfähigkeit auch von den Umgebungstemperaturen innerhalb einer Ofenumgebung ab.

Siliciumcarbid ist ein chemisch stabiles Material mit geringer thermischer Ausdehnung, das sich bei Erhitzungsprozessen kaum verformt und sich daher für feuerfeste Materialien in Öfen mit beengten Platzverhältnissen, kontrollierter Atmosphäre oder Vakuumumgebung eignet. Dank seiner Formbarkeit können feuerfeste Materialien aus diesem Material leicht in jeden gewünschten Ofenraum geformt werden. Siliziumkarbid-Elemente können auch bei sehr hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden; Luft, kontrollierte Atmosphären oder Vakuumumgebungen stellen bei richtiger Anwendung kein Problem dar.

Aufgrund dieser Eigenschaften können sie mehr Strom von der Quelle zur Last übertragen, was Strombegrenzungsvorrichtungen erforderlich macht, die die Verdrahtung und die Transformatorwicklungen vor Überlastung schützen und das Auslösen von Sicherungen oder Unterbrechern verhindern. Ein Phasenanschnittsteuergerät ist die effektivste Möglichkeit, dies zu erreichen.

Hoher Wirkungsgrad

Sic zeichnet sich durch seine große Bandlücke aus, die es ermöglicht, dort zu glänzen, wo Siliziumbauteile versagen. Sic kann höheren Frequenzen, Spannungen und Temperaturen standhalten, da es im Gegensatz zu Silizium unter extremen Bedingungen nicht zusammenbricht; außerdem ist es viel stärker als Silizium und kann daher größeren mechanischen Belastungen standhalten, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für raue Umgebungen macht.

Eine wirksame Wärmeableitung ist für Hochtemperatur-LEDs und -Laserdioden von entscheidender Bedeutung, die Beleuchtungslösungen für die Automobilbeleuchtung, Industriemaschinen und Kommunikationssysteme bieten, die eine hohe Leistung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen erfordern. Auch UV-Detektoren und Fotodioden, die für die medizinische Bildgebung und Umweltüberwachung unerlässlich sind, erfordern ein effizientes Wärmemanagement.

SiC-Leistungsstufen leisten einen außerordentlichen Beitrag zu Energiespeicheranwendungen wie dem Aufladen von Elektrofahrzeugen und Solarsystemen mit Batterien, indem sie einen höheren Systemwirkungsgrad, eine höhere Leistungsdichte sowie eine Verringerung des Volumens und der Kosten passiver Komponenten ermöglichen.

EREMA SiC-Heizelemente werden häufig in metallurgischen und keramischen Öfen zum Schmelzen, Gießen und Veredeln von Metallen sowie in Laboröfen für Forschungs- und Materialprüfungszwecke eingesetzt. Darüber hinaus werden sie häufig in Diffusionsöfen in der Halbleiterfertigung eingesetzt - sie sind haltbar genug, um extremen Umgebungen und Temperaturen standzuhalten, und gleichzeitig beschichtet, um zusätzlichen Korrosionsschutz zu bieten; außerdem ermöglichen ihre Gewindesockel eine einfache Montage ohne Kollisionsgefahr mit freiliegenden Graphitschenkeln!