Piikarbidi ja karborundumi

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova ja luja materiaali, jolla on erinomaiset kulutuskestävyys- ja lämmönkesto-ominaisuudet. Sitä käytetään usein metallurgia-, auto-, puolijohde- ja elektroniikkateollisuudessa sekä hioma-aineiden valmistuksessa.

Tämän materiaalin lujuus ja kestävyys perustuvat tetraedrisille pii-hiilirakenteille, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset sen kidehilan sisällä, kun taas materiaalin sisällä olevat värikeskukset voidaan aktivoida tarpeen mukaan yksittäisten fotonien lähettämiseksi.

Alkuperä

Piikarbidi (SiC) on laajakaistainen puolijohde, jota esiintyy luonnossa moissanite-jalokivessä ja jota valmistetaan laboratoriossa hioma-aineeksi; vuodesta 1893 lähtien sitä on myös tuotettu massatuotantona jauheena käytettäväksi erittäin kestävissä keraamisissa auton jarruissa ja kytkimissä sekä luodinkestävien liivien keraamisissa levyissä. SiC-rakeita voidaan myös sulattaa yhteen erittäin kovien keraamisten materiaalien muodostamiseksi.

Edward G. Acheson loi tahattomasti karborundumin yrittäessään syntetisoida keinotekoisia timantteja. Kun Acheson kuumensi saven (alumiinisilikaatin) ja koksin seosta tavallisella hiilikaarivalolla, hän havaitsi kiiltävien vihreiden kiteiden muodostuvan elektrodissaan. Aluksi hän luuli löytäneensä jotain rubiineihin tai safiireihin verrattavaa – mutta tajusi pian, että kyseessä oli jotain paljon merkittävämpää, sillä hänen vastikään löytämänsä yhdiste oli lähes yhtä kova kuin timantti ja sitä voitiin valmistaa teollisesti suurina määrinä hioma-aineiksi.

SiC on suhteellisen harvinaista maapallolla, mutta sitä esiintyy runsaasti avaruudessa. Hiilirikkaista tähdistä sinkoutunut SiC löytyy usein meteoriiteista, kimberliitista ja muista luonnonmuodostelmista täällä maapallolla; sen palasia voi toisinaan löytää jopa meteoriittipaloina ja -sirpaleina. 1800-luvun lopulla tuli kuitenkin mahdolliseksi kasvattaa suuria moissanitin yksikiteitä ja tuottaa sitä jalokivien leikkaamiseen “timanttikorvikkeena”. Tämän vuoksi jotkut kutsuvat moissanitia synteettiseksi timantiksi.

Ominaisuudet

Piikarbidi (SiC), jota kutsutaan myös karborundumiksi, on erittäin kova ja kestävä piin ja hiilen yhdiste. Ainutlaatuisen kiteisen rakenteensa ansiosta, joka koostuu tetraedrisistä hiili- ja piiatomien välisistä sidoksista, SiC:llä on erinomainen mekaaninen lujuus (9–9,5 Mohsin asteikolla), alhainen tiheys, erinomainen väsymiskestävyys, korkea lämmönjohtavuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin sekä korkea kemiallinen inertia.

Carborundumin poikkeuksellinen kovuus tekee siitä ihanteellisen valinnan hioma-aineisiin, kuten hiomalaikkoihin ja hiekkapaperiin, kun taas sen erinomainen lämmönkestävyys – se kestää jopa 1400 °C:n lämpötiloja – tekee siitä sopivan myös vaativiin käyttöolosuhteisiin. Lisäksi karborundumi kestää sekä korroosiota että hapettumista, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää pitkäaikaisesti haastavissa olosuhteissa.

SiC on ihanteellinen materiaali puolijohde- ja elektroniikkatutkimukseen sen laajan kaistanraon ja korkean estojännitteen ansiosta, mikä tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon sekä puolijohteiden että elektroniikan tutkimuksessa. Lisäksi, toisin kuin piipohjaiset (Si) komponentit, SiC-komponentit voivat toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa ja tarjoavat samalla merkittäviä energiatehokkuusetuja piipohjaisiin vastineisiinsa verrattuna.

Carborundumia, jota luonnossa kutsutaan yleisesti moissanitiksi, voidaan valmistaa myös synteettisesti Achesonin hiiletyksen avulla – tämän menetelmän avulla voidaan tuottaa ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan tarkasti määriteltyjä materiaaleja tiettyihin teollisiin käyttötarkoituksiin, kuten tulenkestäviin materiaaleihin, korkean lämpötilan tutkimukseen ja puolijohdekomponentteihin sekä keraamisiin sovelluksiin, kuten autojen jarrulevyihin tai luodinkestäviin liiveihin.

Yhteenveto

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova, ei-oksidinen keraaminen materiaali, jota käytetään yleisesti teollisuudessa. SiC tunnetaan erinomaisesta kovuudestaan, lämmönjohtavuudestaan ja korroosionkestävyydestään – ominaisuuksista, joiden ansiosta se sopii sekä elektroniikkalaitteisiin että leikkaus- ja hiomakäyttöön.

Piikarbidi syntyy kemiallisen reaktion tuloksena erittäin korkeissa lämpötiloissa, kun raaka-aineita, kuten kvartsihiekkaa ja öljykoksia, sekoitetaan uunissa, jonka lämpötila nousee yli 2700 celsiusasteeseen.

SiC:n synteesiä voidaan parantaa nostamalla reaktiolämpötilaa. Tämä nopeuttaa reaktiota ja lyhentää reaktioaikaa; liian suuri hiilen kulutus voi kuitenkin heikentää syntyvän jauheen puhtautta, minkä vuoksi sitä on säädettävä huolellisesti, jotta vältetään hiilen liiallinen muodostuminen.

Hiili-terminen pelkistys on yksi suosituimmista menetelmistä SiC:n valmistuksessa. Sen etuna ovat alhaiset tuotantokustannukset, yksinkertaiset menettelytavat ja korkea tuotteiden hyväksymisaste; haittapuolena on epätasainen ja karkea jauhe sekä hapen imeytyminen kalsinoinnin aikana, mikä johtaa amorfisten hiukkasten muodostumiseen.

Hakemukset

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova ja kestävä laajakaistainen puolijohdemateriaali, jota esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina nimeltä moissanite ja jota on valmistettu teollisesti jauhe- tai kite muodossa vuodesta 1893 lähtien hioma-aineeksi. Sintraus sitoo hiukkaset yhteen erittäin kovaksi keraamikoksi, jota käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta kestävyyttä, kuten luodinkestävissä liivilevyissä ja auton jarruissa, tai karborundum-grafiikassa, joka on taidemuoto, jossa käytetään kollagrafia-painotekniikkaa.

SiC:n käyttö on yleistynyt valtavasti sähköajoneuvojen (EV) akkujen hallintajärjestelmissä viime vuosina. Korkeampien kytkentätaajuuksien, erinomaisen lämmönjohtavuuden (kolme kertaa parempi kuin piillä) ja jopa 1000 °C:n lämpötiloja kestävän ominaisuuden ansiosta SiC:n erinomainen energiatehokkuus ja pienempi koko auttavat vähentämään kokonaispainoa ja parantamaan energiatehokkuutta samalla kun akun kokoa ja painoa voidaan pienentää.

Sähköajoneuvot muodostavat 40–50% maailmanlaajuisesta sähkönkulutuksesta, ja teho tiheyden kasvu voi vaikuttaa merkittävästi ajomatkoihin. SiC auttaa sähköajoneuvojen moottorivalmistajia juuri tässä parantamalla boost-muuntimien hyötysuhdetta; nämä muuntimet muuttavat akusta saatavan tasavirran kiihdytykseen tarvittavaksi suurvirraksi.

ST on tehnyt merkittäviä investointeja vastatakseen SiC-teknologian kasvavaan kysyntään rakentamalla useita laajamittaisia tuotantolaitoksia. Näihin kuuluvat 200 mm:n tehdas tehoelektroniikkakomponenttien ja -moduulien valmistukseen sekä testaus- ja pakkauskapasiteetti; yhdessä paikan päällä parhaillaan valmisteltavan 200 mm:n SiC-substraattitehtaan kanssa nämä muodostavat ST:n piikarbidikampuksen, joka tarjoaa alan johtavaa suorituskykyä ja luotettavuutta monenlaisiin sovelluksiin.