Kiselkarbid och förnybar energi

Kiselkarbid är en oorganisk kemisk förening av rent kisel och rent kol som kan dopas med kväve eller fosfor för att bilda en halvledare av n-typ eller aluminium, bor och gallium för att bli halvledare av p-typ.

SiC har nyligen fått rubriker på grund av sin användning i kraftelektronik för elfordon och sensorer för extrema förhållanden, men detta eldfasta och slipande material erbjuder också unika egenskaper inom olika branscher.

Kraftelektronik

Kiselkarbid (SiC) har länge använts som slipmedel i slipskivor och skärverktyg, samtidigt som det är en integrerad komponent i högspänningsenheter som IGBT:er och MOSFET:er. SiC:s bredare bandgap gör att den kan hantera spänningar som är upp till 10 gånger högre än standardhalvledare av kisel, vilket gör att kraftelektronik kan arbeta med högre switchfrekvenser med betydande effektivitetsvinster.

SiC möjliggör DC-snabbladdning i elfordon genom att minska spännings- och strömförlusterna och förbättra värmehanteringen samtidigt som storleken och vikten på viktiga kraftelektronikkomponenter minskas - denna teknik ger många andra fördelar när elfordonsarkitekturen går mot 800 volt för DC-snabbladdning.

SiC-material erbjuder många fördelar för kraftelektroniska enheter som tillverkas av dem, inklusive brett bandgap, lägre påslagningsmotstånd och överlägsen ledningsförmåga, vilket gör dem lämpliga för tuffa förhållanden. SiC kan därför utgöra utmärkta kraftelektroniska lösningar inom många olika användningsområden.

SiC är en konstgjord förening som skapades 1891 av Edward Goodrich Acheson som ett led i ett försök att framställa konstgjorda diamanter av lera blandat med kolpulver från koks (koks är kol). Även om det förekommer naturligt endast i mycket begränsade mängder (känt som moissanit) finns det i vissa meteorit- och korundfyndigheter. Elkems kiselkarbonat framställs genom att man smälter och kyler en elektrisk ugn full med kisel-/kolgöt och sedan sorterar dem noggrant för olika användningsområden.

Fordon

Halvledare av kiselkarbid tål högre temperaturer än motsvarande kisel, vilket gör det till ett ovärderligt material inom fordonsindustrin. Det gör det möjligt för tillverkare att minska storleken på kylsystemen för elfordon, vilket sparar vikt och kostnader. Dessutom gör kiselkarbid att växelriktare kan köras med högre frekvenser för ökad prestanda och effektivitet.

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och sprött keramiskt material med många användningsområden inom metallbearbetning, metallurgi och energiindustrin. Det framställs syntetiskt med olika metoder. Den amerikanske uppfinnaren Edward Goodrich Acheson upptäckte SiC av en slump 1891 när han försökte framställa konstgjorda diamanter; först kallade han dem karborundum men flera år senare syntetiserade den franske forskaren Henri Moissan det oberoende med hjälp av olika processer.

SiC är en halvledare med ett brett bandgap som gör att elektroner kan passera lättare genom den än vad kisel gör, vilket gör att den kan hantera spänningar som är upp till 2,8 gånger högre än traditionella kiselkomponenter.

SiC används oftast i slipmedel. Eftersom SiC är både hårt och kostnadseffektivt kan det användas för att slipa material som stål, aluminium, gjutjärn och gummi med otrolig lätthet. När det blandas med andra slipmedel skapas slipskivor eller skärverktyg, och det kan till och med användas för att tillverka sandpappersprodukter. Elkems industriella produktion av kiselkarbid för både slipmedels- och metallurgiindustrin använder Achesons ursprungliga metod: lera (ett aluminiumsilikat) blandat med pulveriserad koks (kol) blandas och värms upp i en elektrisk motståndsugn tills värmen producerar kiselkarbid.

Bärbara produkter

SiC är ett av de hårdaste kända ämnena, med en Mohs-hårdhetsgrad på 9, vilket endast överträffas av diamant. SiC är dessutom ett utmärkt slipmaterial och har sedan slutet av 1800-talet använts som slipmedel i slipskivor, skärverktyg och vattenjet/sandblästring. Dessutom finns SiC som slitstarka delar i pumpar och raketmotorer och används som halvledarsubstrat i lysdioder (LED).

SiC klarar temperaturer på upp till 1.400 grader Celsius och är samtidigt starkt och korrosionsbeständigt, vilket gör det lämpligt för komponenter som utsätts för syror eller lut. Tack vare sin höga Young-modul kan SiC bära tunga belastningar utan att lätt förvrängas; ytan motstår också korrosion.

Kiselkarbid kan hjälpa elfordon att minska sitt beroende av aktiva kylsystem som ökar vikt och komplexitet, vilket sparar vikt och kostnader. SiC:s driftstemperaturområde är högre än kisel, vilket förbättrar motorprestandan för snabbare elbilar.

Kiselkarbid (SiC) framställs genom att pulveriserat kisel och kol reagerar med väte vid höga temperaturer, vilket ger enkristallina boules som sedan kan skäras ner till wafers för användning i elektroniska enheter. Reaktionsbunden SiC har blivit en populär form för kraftelektronik som måste arbeta med högre spänningar och frekvenser samtidigt som den måste vara motståndskraftig mot extrema miljöer.

Ren energi

Kiselkarbid är ett idealiskt material för användning i applikationer för förnybar energi, allt från solcellsinverterare och lagringssystem till industriella motorstyrningar. Kiselkarbid ger högre effektivitet och effekttäthet samtidigt som det uppfyller nya standarder för produktion av grön energi.

SiC-halvledare skiljer sig avsevärt från traditionella kiselhalvledare genom att de tål högre elektriska spänningsvariationer och temperaturer utan att skadas och arbetar med mycket högre kopplingshastigheter än sina kiselmotsvarigheter. Dessutom är SiC inte giftigt, vilket minskar miljöproblemen.

Alpha SiC (a-SiC), med sin hexagonala kristallstruktur som liknar Wurtzite, är den mest frekvent förekommande polymorfen. Det kan vara dopat av n-typ med kväve eller fosfor eller dopat med beryllium, bor, aluminium eller gallium; dess brunsvarta nyans kommer från järnföroreningar; när det är polerat kan det producera transparenta till opaka keramiska beläggningar för optiska tillämpningar.

ST:s SiC MOSFET:er är särskilt utformade för att ge maximal prestanda och tillförlitlighet för batteripaket och laddningsinfrastruktur för elfordon, industriella motorstyrningar och mycket mer. Deras beprövade skalbara teknik gör att elfordon kan drivas med upp till 50% mer effekt på mindre utrymme med lägre förluster som inte ökar din energiräkning.

SiC är ett idealiskt material att använda i miljöer där det förekommer fysiska slitageproblem, t.ex. erosion och nötning. Tack vare sitt exceptionella motstånd mot både erosion och nötning samt sin låga värmeutvidgningskoefficient kan SiC stå emot upprepade stötar eller slitage utan att skadas av upprepade stötar eller slitage.