Kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och kemiskt inert material som används i stor utsträckning inom metallurgi, slipning, eldfasta material och andra industrier. SiC är dessutom en utmärkt halvledare med brett bandgap och förekommer naturligt som ädelstenen moissanit.

Hårdhet, värmeledningsförmåga och nötningsbeständighet gör aluminiumoxid till ett utmärkt material för användning i tuffa miljöer, och dopning är ett alternativ för att ytterligare förändra dess elektriska egenskaper.

Egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är ett oorganiskt material med hög smältpunkt och elektroniskt bandgap mellan 2,4 och 3,3 eV, vilket gör det lämpligt för industriell användning inom områden som petrokemisk produktion, mekaniska tätningsdelar och skärverktyg.

Eldfasta keramiska material med hög värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgning, som t.ex. kiseldioxid, är extremt värdefulla eldfasta material som erbjuder hög värmeledningsförmåga, låg värmeutvidgning, extrem hårdhet och hållbarhet - egenskaper som gör kiseldioxid till ett extremt fördelaktigt material att arbeta med i eldfasta material. Dessutom står det emot termisk chock väl och kan motstå temperaturer på upp till 1600degC utan att förlora styrka eller bli sårbart.

SiC är ett miljövänligt material med utmärkt motståndskraft mot syror, alkalier och smälta salter tack vare ett skyddande kiselskikt som bildas på ytan. Dessutom ligger SiC:s klassificering på Mohs-skalan någonstans mellan aluminiumoxid (9 på skalan) och diamant (10).

Kristallin SiC består av hexagonala nätverk av kisel- och kolatomer som är sammanbundna med starka kovalenta bindningar i sin kristallgitterstruktur, vilket ger detta material dess anmärkningsvärda styrka och seghet. Denna faktor står för dess exceptionella egenskaper.

SiC finns naturligt endast i mycket begränsade mängder i moissanit, och den mesta kommersiella användningen av SiC idag är syntetiskt framställd. Edward Acheson syntetiserade det först artificiellt 1891 genom att låta SiO2 reagera med kol i en elektrisk ugn för att bilda små svarta kristaller som maldes till pulver för användning som industriella slipmedel.

Tillämpningar

Kiselkarbid (SiC) är en av de främsta industrikeramerna. Detta hårda, täta och sega material har utmärkt värmeledningsförmåga samt enastående mekaniska egenskaper för exceptionella applikationskrav. SiC kan anpassas till olika former och storlekar för att uppfylla specifika applikationskrav.

SiC produceras industriellt genom att reagera pulveriserad kiseldioxid med koks i elektriska motståndsugnar vid höga temperaturer, vilket ger ren SiC som är färglös. Tyvärr innehåller industriella kvantiteter järnföroreningar som ändrar dess utseende till brunt till svart kristallint fast ämne. Även om sällsynta fall finns i form av moissanit (grönt till blått skimrande mineral), är all kommersiell moissanit syntetiskt tillverkad.

SiC är ett extremt hårt material som är motståndskraftigt mot korrosion orsakad av vatten, luft, syre, kväve, fosfor och organiska syror, vilket gör det lämpligt för användning som skärverktyg, slipmedel och slipskivor samt som det föredragna spegelmaterialet för många astronomiska teleskop. Det har utmärkt värmebeständighet. Det tål extremt höga temperaturer utan att splittras och tål mycket högt tryck eftersom skärverktyg, slipmedel och slipskivor ofta tillverkas av SiC.

SiC används ofta inom halvledarindustrin för olika tillämpningar, t.ex. tillverkning av kiselplattor som används för att konstruera elektroniska enheter. SiC är dessutom ett utmärkt materialval för växelriktare i elfordon eftersom det klarar höga spänningskrav utan att förlora i effektivitet - vilket innebär att elbilar kan köra mycket längre sträckor samtidigt som storleken och vikten på krafthanteringssystemet minskar avsevärt.

Tillverkning

Kiselkarbidens hårdhet, styvhet och termiska stabilitet har länge gjort den till en integrerad komponent i många moderna tekniker - från elfordon och system för förnybar energi till telekominfrastruktur och mikroelektronik - eftersom dess unika egenskaper gör att den kan motstå extrema miljöer samtidigt som den fortfarande är funktionell.

Kristallin kiselkarbid har många användningsområden inom högspänningsapplikationer, bland annat inom tillverkning av elfordon och växelriktare för kraftomvandling. Tack vare materialets förmåga att klara extremt höga spänningskrav kan tillverkare av elfordon öka körsträckan och samtidigt minska kraven på storlek och vikt för växelriktare. Vidare kan kristallin kiselkarbid också användas vid tillverkning av halvledare och kraftverk som ett sätt att minska koldioxidutsläppen och bygga en grönare energiekonomi.

Reaktionsbindning eller sintring är de två primära metoderna för att framställa kristallin kiselkarbid. Båda tillverkningsmetoderna ger liknande slutmikrostrukturer, men deras bildningsmetoder har en enorm effekt på dess prestanda. Reaktionsbunden kristallin kiselkarbid bildas genom att kompakter av blandat kisel-kolpulver infiltreras med flytande kisel innan de förtätas med hjälp av borkarbid eller andra sintringshjälpmedel och sintras vid höga temperaturer.

Sintring av kristallin kiselkarbid skapar många defekta skivor under tillverkningsprocessen, så tillverkare av enheter bör utföra defektanalys under hela produktionscykeln med hjälp av avancerade metrologiverktyg som Scanning Acoustic Microscopy (SAM).

Säkerhet

Kiselkarbid är irriterande vid inandning och kan orsaka lungskador vid exponering i tillräcklig dos. Upprepad exponering kan leda till pneumokonios, ett kroniskt tillstånd som kännetecknas av avvikelser på lungröntgen och försämrad lungfunktion som inkluderar hosta och väsande andning; dessutom ökar risken för tuberkulos.

Keramik användes i stor utsträckning som industriellt slipmedel under slutet av 1800-talet och början av 1900-talet på grund av sin högre hårdhet än diamant; det används fortfarande på detta sätt idag, men fungerar också som grund för långlivade keramiska produkter i flera branscher.

Sinterprocess som används för att producera kristallin SiC binder samman SiC-korn i submikronstorlek till ett tätt och hållbart material. När det blandas med aluminiumoxid skapas en extra seg och motståndskraftig keramik, medan det i kombination med ceriumoxid bildas ett hårdare men mer poröst beta SiC-material.

American Elements erbjuder kristallin kiselkarbid som har extremt låga föroreningsnivåer med en garanterad GDMS-procent (Geometrical Dimensional Measurement System) på mindre än 0,02%, vilket gör den lämplig för krävande applikationer som kräver ett stabilt och hållbart material. För mer information om denna specialprodukt, kontakta en av American Elements försäljningsrepresentanter.