Kiselkarbid och karborundum

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och starkt material med överlägsna slitageegenskaper och temperaturbeständighet, som ofta används inom metallurgi, fordons-, halvledar- och elektronikindustrin samt för tillverkning av slipmedel.

Materialet får sin styrka och tålighet från tetraedriska kisel-kolstrukturer som hålls samman av kovalenta bindningar i kristallgittret, medan färgcentrum i materialet kan aktiveras på begäran för att avge enstaka fotoner.

Ursprung

Kiselkarbid (SiC) är en halvledare med brett bandgap som finns naturligt i ädelstenen moissanit och produceras som slipmedel i laboratorier; sedan 1893 har det också massproducerats som pulver för att användas som keramiska bilbromsar och kopplingar med hög uthållighet samt keramiska plattor för skottsäkra västar. SiC-korn kan också smältas samman för att bilda extremt hård keramik.

Edward G. Acheson skapade oavsiktligt karborundum när han försökte framställa konstgjorda diamanter. När Acheson värmde upp en blandning av lera (aluminiumsilikat) och koks med en vanlig kolbågslampa såg han hur glänsande gröna kristaller bildades vid elektroden. Först trodde han att han hade hittat något som liknade rubiner eller safirer - men insåg snart att han hade upptäckt något mycket större eftersom hans nyupptäckta ämne var nästan lika hårt som diamant och kunde massproduceras industriellt för användning som slipmedel.

SiC är relativt sällsynt på jorden men mycket vanligt förekommande i rymden. SiC kastas ut från kolrika stjärnor och finns ofta i meteoriter, kimberlit och andra naturliga formationer här på jorden; fragment kan ibland till och med hittas som meteoritfragment och meteoritskärvor. Men i slutet av 1800-talet blev det möjligt att odla stora enskilda kristaller av moissanit och producera dem för ädelstensslipning som ett "diamantsubstitut". Detta har lett till att vissa kallar moissanit för syntetisk diamant.

Fastigheter

Kiselkarbid (SiC), även kallat karborundum, är en extremt hård och hållbar förening av kisel och kol. På grund av sin unika kristallstruktur som består av bindningar mellan tetraedriska kolatomer och kiselatomer har SiC utmärkt mekanisk hållfasthet på 9-9,5 på Mohs-skalan, låg densitet, utmärkt utmattningshållfasthet, hög värmeledningsförmåga, låg värmeutvidgningskoefficient och hög kemisk tröghet.

Karborundums exceptionella hårdhet gör det idealiskt för användning i applikationer som involverar slipmedel som slipskivor och sandpapper, medan dess överlägsna värmebeständighet - som klarar temperaturer upp till 1400degC - också gör det lämpligt för användning i tuffa miljöer. Dessutom motstår karborundum korrosion och oxidation för fortsatt användning i utmanande miljöer.

SiC är ett idealiskt material för halvledar- och elektronikforskning på grund av dess breda bandgap och höga blockeringsspänning, vilket gör det till en attraktiv kandidat för forskning inom både halvledare och elektronik. Till skillnad från kiselbaserade (Si) enheter kan SiC-enheter dessutom arbeta vid mycket höga temperaturer samtidigt som de erbjuder betydande energieffektivitetsfördelar jämfört med sina kiselmotsvarigheter.

Karborundum, som i naturen ofta kallas moissanit, kan också framställas syntetiskt genom Acheson-karburering - detta gör det möjligt att skapa kontrollerade egenskaper och sammansättningar för specifika industriella användningsområden som eldfasta material, högtemperaturforskning och halvledaranordningar samt keramiska tillämpningar som plåtar för bilbromssystem eller skottsäkra västar.

Syntes

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och icke-oxidiskt keramiskt material som är vanligt förekommande i industriella miljöer. SiC är känt för sin överlägsna hårdhet, värmeledningsförmåga och korrosionsbeständighet - egenskaper som gör det lämpligt för elektroniska enheter samt för skärande och nötande applikationer.

Kiselkarbid skapas genom en kemisk reaktion vid extremt höga temperaturer med hjälp av råmaterial som kiselsand och petroleumkoks som blandas i en ugn som värms upp till temperaturer på över 2700 grader Celsius.

SiC-syntesen kan förbättras genom att reaktionstemperaturen höjs. På så sätt ökar både reaktionshastigheten och förkortar reaktionstiden; för mycket kolförbrukning kan dock skada renheten hos det resulterande pulvret; därför bör det kontrolleras noggrant för att förhindra överproduktion av kol.

Termisk kolreduktion är en av de mest populära metoderna för att framställa SiC. Den har låga produktionskostnader, enkla procedurer och högre produktkvalificeringsgrad; dess nackdel ligger i inkonsekvent och grov pulverproduktion samt syreabsorption under kalcinering vilket resulterar i bildning av amorfa partiklar.

Tillämpningar

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och hållbart halvledarmaterial med brett bandgap som finns naturligt i det sällsynta mineralet moissanit och som sedan 1893 massproduceras i pulver- eller kristallform för användning som slipmedel. Sintring binder samman korn till extremt hård keramik som används för applikationer som kräver hög hållbarhet, t.ex. skottsäkra västar och bilbromsar, eller som används i karborundumtryck, en konstform som använder kollagrafisk tryckteknik.

SiC har expanderat kraftigt inom batterihanteringssystem för elfordon (EV) under de senaste åren. Tack vare högre switchfrekvenser, överlägsen värmeledningsförmåga (tre gånger bättre än Si) och förmåga att motstå temperaturer upp till 1000 grader Celsius, bidrar SiC:s överlägsna energieffektivitet och mindre storlek till att öka den totala viktbesparingen och energieffektiviteten samtidigt som batteriets storlek och vikt minskar.

Elfordon står för 40-50% av den globala elanvändningen och varje ökning av effekttätheten kan göra en enorm skillnad för körsträckorna. SiC hjälper tillverkare av elbilsmotorer att göra just detta genom att öka effektiviteten hos boost-omvandlare som omvandlar likspänning från batteriet till hög ström som krävs för acceleration.

ST har gjort betydande investeringar för att möta den växande efterfrågan på SiC-teknik genom att investera i flera storskaliga tillverkningsanläggningar. Dessa inkluderar en 200 mm anläggning för kraftkomponenter och moduler samt test- och förpackningsmöjligheter; i kombination med 200 mm anläggningen för SiC-substrat, som för närvarande förbereds på plats, kommer dessa att bilda ST:s Silicon Carbide Campus som kommer att erbjuda branschledande prestanda och tillförlitlighet inom en rad olika applikationer.