Kiselkarbidföreningen måste övervinna viktiga utmaningar

SiC används allt oftare för att skapa effektivare kraftsystem, men för att lyckas måste man övervinna några viktiga hinder.

SiC har ett extremt brett bandgap för att klara höga blockeringsspänningar som krävs för applikationer som kraftelektronik för elbilar och laddhybrider, datalagring och kommunikation, järnvägstransporter och HVAC.

Hårdhet

Kiselkarbid (SiC), även kallat karborundum eller moissanit, är ett hårt och styvt keramiskt material som ofta används i industriella miljöer som slipmedel och skärverktyg. På grund av sin höga draghållfasthet är det ett utmärkt materialval för skyddsbeläggningar som används på bilbromsar/kopplingar samt skottsäkra västar; dessutom används det som eldfasta material som t.ex. ugnsmöbler.

Eftersom ceria har en hårdhet och värmebeständighet som endast överträffas av diamant och borkarbid har det blivit ett oumbärligt material i applikationer för slipmedel och eldfasta material. Dess låga densitet står sig dessutom väl i jämförelse med andra avancerade keramer, vilket gör att den behåller sin struktur under kraftiga stötar vid temperaturer över 1 400 grader Celsius och förblir motståndskraftig mot termisk chock.

SiC är en halvledare med brett bandgap och ett enormt spänningsgenombrottsfält som är tio gånger större än hos traditionellt kisel, vilket gör att kraftelektronik kan drivas med högre effektivitet samtidigt som dess strålningshårdhet gör den till en attraktiv kandidat för rymdtillämpningar.

Strukturell integritet

Kiselkarbid (SiC) utmärker sig genom sin hårdhet och överlägsna strukturella integritet och erbjuder motstånd mot deformation under stress eller tryck, vilket gör det till ett mycket hållbart keramiskt material som kan motstå extrema miljöförhållanden och mekaniska påfrestningar som skulle bryta mindre motståndskraftiga material.

SiC:s inerta kemiska sammansättning gör det motståndskraftigt mot en rad aggressiva kemikalier och miljöer, vilket gör det till ett utmärkt val för användning i ugnsmöbler som regelbundet kommer i kontakt med aggressiva element och miljöer. Denna tålighet förlänger komponenternas livslängd och garanterar konsekventa bränningsresultat samtidigt som underhållskostnaderna minskar.

Kiselkarbidens kombination av hög elasticitetsmodul och låg värmeutvidgning gör att den klarar snabba temperaturförändringar utan att spricka eller försämras, vilket gör den särskilt fördelaktig i ugnar där temperaturen ofta fluktuerar och behöver värmas upp på nytt. Dessutom bidrar dess motståndskraft mot termisk chock till att förhindra kemiska reaktioner som annars skulle kunna leda till korrosion i andra material för ugnsmöbler.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbidens unika kombination av hårdhet och kemisk inertitet gör att den tål höga påfrestningar i tuffa miljöer, vilket gör den till ett idealiskt material för komponenter som värmeväxlare och flamantändare som ständigt måste utsättas för giftiga ämnen.

Hög värmeledningsförmåga är avgörande i enheter som genererar stora mängder värme, vilket gör SiC till ett utmärkt material för att snabbt överföra värmen utan överhettning.

Granulerad kiselkarbids värmeledningsförmåga beror på faktorer som kornstorlek, renhet och föroreningskoncentration; dess låga oxidationspunkt spelar också en roll för denna höga värmeledningsförmåga. Kemiskt deponerad SiC kan också tillverkas för att uppvisa ökad värmeledningsförmåga genom att ändra reaktionsförhållandena i en CVD-kammare.

För att uppnå SiC-prover med hög värmeledningsförmåga är de optimala förhållandena deponeringstemperaturer mellan 1350-1450 grader C, en CVD-gasblandning bestående av MTS, H2 och en inert bärgas samt specifika deponeringsparametrar som parallellflödeskonfiguration, dornform och deponeringshastighet. När dessa exakta deponeringsparametrar används tillsammans resulterar de i högpresterande material som sedan kan bearbetas och poleras enligt kraven för slutanvändningen.

Kemisk beständighet

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hållbart keramiskt material som består av en kombination av kisel och kol. SiC har utmärkt slitstyrka och korrosionsbeständighet samt hög draghållfasthet och används i bromsbelägg och kopplingar för bilar samt i skottsäkra västar; inom halvledartekniken som stöd för wafertråg och paddlar; som elektriska värmeelement i elektriska ugnar och som komponenter i termistorer/varistorer.

Det keramiska materialet PEEK är ett extremt slitstarkt material som är motståndskraftigt mot korrosion orsakad av alkalisalter i vatten eller alkohol och som behåller sina elastiska egenskaper vid snabba temperaturförändringar, vilket skyddar mot inre spänningar och frakturer när temperaturen snabbt ändras. Dessutom är dess förmåga att motstå snabba fluktuationer överlägsen kiselnitrid- och zirkoniumdioxidkeramik, vilket gör det lämpligt för raketmunstycken och värmeväxlare - och till och med kärnreaktorer!

Motstånd mot termisk chock

Snabba temperaturförändringar utsätter material för ojämna expansions- och kontraktionsmönster, vilket kan leda till spänningar som kan orsaka sprickbildning. Därför är motståndskraften mot termisk chock avgörande - den anger den maximala temperaturfluktuation som ett material kan motstå utan att skadas.

Kiselkarbid är allmänt känt för sin motståndskraft mot termisk chock. Denna egenskap kan hänföras till den höga värmeledningsförmågan och låga värmeutvidgningen som kännetecknar detta material, tillsammans med dess hållbarhet som gör det lämpligt för applikationer som måste klara höga temperaturer med snabba temperaturfluktuationer, t.ex. turbinkomponenter.

Forskare från Japan genomförde en studie som visade att poröst SiC har överlägsen motståndskraft mot termisk chock jämfört med dess täta motsvarigheter, vilket framgår av kvarvarande brottgräns (UTS) och interlaminär skjuvhållfasthet (ILSS) efter 60 cykler av termisk chock i luft.

Teamet tillskrev sitt materials överlägsna motståndskraft mot termisk chock till dess avsaknad av grova SiC-partiklar, särskilt de som är större än 30 mikrometer i diameter. Detta har avsevärt förbättrat både vidhäftning och frakturbeständighet hos kompositstrukturer som tillverkats med det.