na 2024/07/5 301

Odhalený karbid kremíka: Vlastnosti, metódy a aplikácie

Tento článok skúma jedinečné vlastnosti SIC, vrátane jeho štruktúry, tepelného odporu, chemickej stability a mechanickej pevnosti, vďaka ktorým je lepšia ako tradičné materiály, ako sú kremík, nitrid gália a germánia.Zameriava sa tiež na rôzne spôsoby, ako sa vytvára SIC, ako je Acheson proces, chemické ukladanie pary a modifikovaný LELY proces a ako tieto metódy zlepšujú jeho čistotu a výkon na priemyselné účely.Článok tiež porovnáva elektrické, tepelné a mechanické vlastnosti spoločnosti SIC s ostatnými polovodičmi, čo zdôrazňuje jeho zvyšujúce sa využívanie na trhoch, ktoré potrebujú vysokú hustotu energie, tepelnú účinnosť a trvanlivosť.

Katalóg

Obrázok 1: Detailný záber ženskej ruky, ktorá drží kryštál karbidu kremíka (SIC) (aka carborundum alebo moissanit)

Vlastnosti kremíkového karbidu (SIC)

Obrázok 2: Karbid kremíka v Petriho miske

Najbežnejšou formou karbidu kremíka je karbid alfa kremíka (a-SiC).Tvorí sa pri teplotách nad 1700 ° C a má tvar šesťuholníka ako Wurtzite.Ak je teplota pod 1700 ° C, vyrába sa karbid beta kremíka (p-SIC).Táto verzia má kryštálovú štruktúru podobnú štruktúre diamantu.

Obrázok 3: Karbid kremíka Alpha (a-SIC)

Obrázok 4: Karbid kremíka beta (p-SIC)

Obrázok 5: Stupnica tvrdosti MOHS

Karbid kremíka je jedným z najťažších materiálov po diamante s tvrdosťou Mohs asi 9 až 9,5. Jeho tvrdosť Knoop sa môže líšiť v závislosti od svojej formy a čistoty, ale vo všeobecnosti je veľmi vysoká, často medzi 2 480 a 3 000 kg/mm².

Silikónový karbid vydrží veľmi vysoký tlak, často viac ako 3 000 MPa, má vysokú pevnosť v ohybe, zvyčajne medzi 400 a 500 MPa, a má dobrú pevnosť v ťahu, medzi 250 a 410 MPa.

Tvrdosť Metódy testovania	Skúška Rozsah hodnoty	Špecifický Hodnoty (čierny karbid kremíka)	Špecifický Hodnoty (zelený karbid kremíka)
Brinell tvrdosť	2400-2800 HBS	2400-2600 hbs	2600-2800 hbs
Tvrdosť	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Tvrdosť Rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Mohs tvrdosť	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC vedie teplo dobre, s tepelnou farbou vodivosť asi 120 w/mk, čo je skvelé pre Riadenie tepla v elektronike.Pri 20 ° C vedie teplo približne 0,41 wattov Percentimeter na stupeň Celzia (w/cm ° C).Ale keď teplota klesne na 1000 ° C, jeho vedenie tepla klesne na približne 0,21 W/cm ° C.

Ďalej je karbid kremíka (SIC) rýchlo ovplyvnený väčšinou kovov, topí oxidu kovu a alkalických topí, ale v kyselinách alebo bázách sa nerozpúšťa.Nečistoty v technickom karbide kremíka zvyčajne zahŕňajú voľný uhlík (C) a oxid kremíka (SIO2), s malým množstvom kremíka (SI), železa (FE), hliníka (AL) a vápnika (CA).Molekulová hmotnosť SIC je 40,096.Čistý SIC je vyrobený zo 70,05% kremíka (SI) a 29,95% uhlíka (C).

Obrázok 6: Chemická štruktúra kremíka (SIC)

Obrázok 7: Chemická štruktúra kremíka (SIC)

Vlastnosti karbidu kremíka N-typu a kremíka (SIC)

Karbid kremíka N-typu (SIC)

Silikónový karbid (SIC) je tvrdý materiál používaný v aplikáciách s vysokým stresom, pretože dobre spracováva teplo a je veľmi silný.Aby sa vytvoril SIC typu n, pridávajú sa nečistoty, proces nazývaný doping, ktorý mení jeho elektrické vlastnosti.Pridá sa prvky ako dusík alebo fosfor, ktoré majú viac valenčných elektrónov ako kremík, sa pridávajú, aby sa zvýšil počet voľných elektrónov v štruktúre SIC.Tým sa vytvára negatívne nabitý alebo „n-typ“.

Tieto voľné elektróny výrazne zlepšujú elektrickú vodivosť SIC.V N-type SIC sa elektróny môžu ľahšie pohybovať v porovnaní s Pure SIC, kde je ich pohyb obmedzený.Tento lepší pohyb elektrónov robí SIC typu n ideálnym pre výkonovú elektroniku a vysokofrekvenčné zariadenia, kde rýchly a efektívny prietok elektrónov.Zatiaľ čo SIC N-Type má lepšiu vodivosť, nevykonáva elektrinu, ako aj kovy, čo si zachováva svoje polotvrdené vlastnosti.Táto rovnováha umožňuje presné riadenie prietoku elektrónov v rôznych elektronických zariadeniach.

Karbid kremíka P-typu (sic)

Kremíkový karbid kremíka (SIC) funguje inak ako jeho verzia typu n.Doping typu p zahŕňa pridávanie prvkov ako bór alebo hliník, ktoré majú menej valenčných elektrónov ako kremík.To vytvára „diery“ alebo priestory, kde chýbajú elektróny, čo dáva materiálu kladný náboj a robí z neho „typ p“.Tieto otvory pomáhajú prenášať elektrický prúd tým, že umožňujú pohyb kladných nábojov.

Prečo uprednostňoval karbid kremíka (SIC)?

Obrázok 8: polovodičové materiály

V nasledujúcej tabuľke je uvedené podrobné porovnanie štyroch polovodičových materiálov: kremík (SI), nitrid gália (GAN), germánium (GE) a karbid kremíka (SIC).Porovnanie je usporiadané do rôznych kategórií.

Aspekt	Kremík (Si)	Gálium Nitrid (gan)	Germánsko (Ge)	Kremík Karbid (sic)
Elektrické vlastnosti	Zrelé procesy, bandgap 1,1 eV, Limited vo vysokom výkone/frekvencii	Vysoká mobilita elektrónov, 3,4 EV Bandgap, Aplikácie s vysokým výkonom/frekvenciou	Vysoká mobilita elektrónov, 0,66 eV bandgap, vysoká únik	Široký pás 3,2 eV, účinný na vysokej úrovni napätie/tempy, nízky únik
Tepelné vlastnosti	Mierna tepelná vodivosť, môže obmedziť vysoko výkonné použitie	Lepšie ako kremík, ale vyžaduje pokročilý chladenie	Nižšia tepelná vodivosť ako kremík	Vysoká tepelná vodivosť, efektívne teplo rozptyl
Mechanické vlastnosti	Krehký, dostatočný na väčšinu použití	Krehký, náchylný k prasknutiu nezhody substráty	Viac krehký ako kremík	Tvrdý, silný, vhodný pre vysokú odolnosť žiadosti
Prijatie trhu	Dominantný v dôsledku zavedenej infraštruktúry a nízke náklady	Populárne v telekomunikácii a obrane, obmedzené vysoké náklady	Obmedzené z dôvodu menej priaznivých vlastností	Vysoká hustota výkonu, vysoká teplota, efektívnosť, trvanlivosť, pokračujúce znižovanie nákladov

Výroba karbidu kremíka (SIC)

Na výrobu karbidu kremíka zvyčajne zahrievate pieskový piesk a veci bohaté na uhlík, ako je uhlie na takmer 2500 stupňov Celzia.To vám dáva tmavší karbid kremíka s určitými nečistotami železa a uhlíka.Karbid kremíka je možné syntetizovať štyrmi hlavnými metódami, z ktorých každá má odlišné výhody prispôsobené konkrétnym použitím.Tieto metódy zahŕňajú:

Reakčný karbid kremíka (RBSC)

Reakčný karbid kremíka (RBSC) sa vyrába z jemne zmiešanej zmesi karbidu kremíka a uhlíka.Zmes sa zahrieva na vysokú teplotu a je vystavená kvapalinovému alebo parnému kremíku.Silikón a uhlík reagujú na vytvorenie viac karbidu kremíka a kremík vyplňuje všetky zvyšky pórov.Rovnako ako reakčný nitrid kremíka (RBSN), RBSC sa počas spekania mení veľmi málo.Keď sa tieto výrobky dostanú do bodu topenia kremíka, zostávajú takmer také silné ako predtým.RBSC je populárny v keramickom priemysle, pretože je nákladovo efektívny a môže byť tvarovaný do zložitých návrhov.

Obrázok 9: Karbid kremíka viazaný na reakciu

Reakčný postup kremíka (RBSC) Postup:

Kombinujte hrubé častice karbidu kremíka s kremíkom a plastifikátormi.Zmiešajte, kým sa nedosiahne jednotná zmes;

Zapojte zmes do požadovaných tvarov a tvarov.Zabezpečiť presnosť v geometrii, aby zodpovedala konečným špecifikáciám;

Vložte kusy tvaru do vysokoteplotnej pece.Teplo na teplotu, ktorá spôsobuje reakciu medzi časticami kremíka a kremíkového karbidu;

Kremík reaguje s karbidom kremíka, viazanie na maticu a zvyšujúcu sa pevnosť a trvanlivosť;

Nechajte kusy postupne ochladiť na izbovú teplotu;

Vyleštech chladených kusov, aby ste splnili presné špecifikácie a vylepšili povrchovú úpravu.

Modifikovaný proces Lely

Obrázok 10: Upravený proces Lely

Tairov a Tsvetkov, vytvorené v roku 1978, sa táto metóda nazýva Modified-Lely Method.Modifikovaný proces Lely zlepšuje syntézu kryštálov karbidu kremíka.Zahŕňa zahrievanie a potom ochladenie prášku SIC v polootvorenej nádobe, čo mu umožňuje tvoriť kryštály na semeni, ktoré sa udržiavajú pri mierne chladnejšej teplote.

Upravený postup procesu LELY:

Dôkladne premiešajte kremík a uhlíkové prášky.Vložte zmes do grafitového téglika;

Umiestnite téglik do pece.Teplo na približne 2000 ° C vo vákuovom alebo inertnom plynovom prostredí, aby sa zabránilo oxidácii;

Kremíková karbidová zmes sublimuje a mení sa z pevnej na plyn.

Výpary karbidu kremíka ukladajú na centrálne umiestnenú grafitovú tyč.Na tyči sa tvoria vysoko čistotné SIC jednokryštály.

Opatrne ochladzujte systém na teplotu miestnosti.

Extrahujte vysokokvalitné kryštály karbidu kremíka z grafitovej tyče na použitie v high-tech aplikáciách.

Ukladanie chemickej pary (CVD)

Obrázok 11: Chemické ukladanie pár (CVD)

Reaktívna silánová zlúčenina, vodík a dusík sa použili v metóde chemického depozície pár (CVD) na výrobu karbidu kremíka (SIC) pri teplotách medzi 1073 a 1473 K. Zmenou nastavení chemickej reakcie, makeup a tvrdosť ložiska môžebyť kontrolovaný.V procese CVD pre karbid kremíka sa vodík a rozbité metyltrichlórsilalán (MT) zmiešajú na povrchu pri vysokej teplote a nízkom tlaku, aby sa vytvorila regulovaná vrstva hustého karbidu kremíka.

Postup chemickej pary (CVD):

Ako primárne chemické zdroje pripravte kremíkový tetrachlorid (SICL4) a metán (CH4);

Umiestnite kremík tetrachlorid a metán do vysokoteplotného reaktora;

Zohrejte reaktor na požadovanú teplotu na začatie chemických reakcií;

Vysokoteplotné prostredie spôsobuje reakcie medzi kremíkovým tetrachloridom a metánom.Tieto reakcie tvoria karbid kremíka (SIC);

Kilikónový karbid sa tvorí a usadzuje na požadované substráty v reaktore;

Nechajte reaktor a jeho obsah postupne ochladiť;

Extrahujte potiahnuté substráty alebo komponenty.Vykonajte všetky procesy dokončovania, aby ste splnili konečné špecifikácie.

Achesonový proces

Obrázok 12: Proces Acheson

Najbežnejším spôsobom, ako vytvoriť SIC, je Achesonova metóda.Edward Goodrich Acheson vytvoril tento proces v roku 1893, aby vytvoril SIC a grafit.Túto metódu odvtedy používa veľa rastlín kremíkových karbidov.

Postup procesu Achesonu:

Dôkladne premiešajte kremičitý piesok s koksom;

Usporiadajte zmes okolo centrálnej grafitovej tyče v elektrickej odporovej peci;

Pec zahrievajte na takmer 2500 ° C.Udržiavať teplotu na pohon chemickej reakcie;

Intenzívne teplo spôsobuje reagovanie oxidu kremičitého a uhlíka a tvoria karbid kremíka;

Nechajte pec postupne ochladiť;

Extrahovať vytvorený karbid kremíka z pece;

V prípade potreby ďalej spracujte karbid kremíka.

Táto tabuľka poskytuje zjednodušené porovnanie štyroch metód používaných na výrobu karbidu kremíka (SIC).Jeho cieľom je pomôcť pochopiť jedinečné výhody a najlepšie využitie každej výrobnej techniky.

Metóda	Výhody	Najlepšie Využívanie
Reakčný karbid kremíka (RBSC)	Robí silné a odolné časti Dobré pre komplexné tvary Malá deformácia	Pletenie brnenia, vysokovýkonné dýzy
Modifikovaný proces Lely	Veľmi čisté kryštály Perfektná štruktúra Lepšia kontrola procesu	Polovodiče, kvantové výpočty
Ukladanie chemickej pary (CVD)	Dokonca aj zloženie Vysoká čistota Môže používať rôzne materiály	Povlaky odolné voči opotrebovaniu, odolné voči korózii povlaky, polovodičový priemysel
Achesonový proces	Jednoduché a nízke náklady Môže produkovať veľké množstvá Konzistentné, vysoko kvalitné kryštály	Abrazív, refraktérne materiály

Silikónový karbid (SIC) v moderných aplikáciách

V automobilovom priemysle, najmä pre elektrické vozidlá, SIC zlepšuje výkon meniča a znižuje systémy správy batérií, rozširuje rozsah vozidiel a znižuje náklady.Goldman Sachs odhaduje, že tieto vylepšenia by mohli ušetriť približne 2 000 dolárov za vozidlo.

Obrázok 13: Brzdenie diskov z karbidu kremíka

Pri slnečnej energii SIC zvyšuje účinnosť meniča, čo umožňuje vyššie rýchlosti prepínania, čo znižuje veľkosť a náklady obvodu.Jeho trvanlivosť a stabilný výkon ju robia lepším ako materiály, ako je nitrid gallium pre solárne aplikácie.

Obrázok 14: SIC pre systémy slnečnej energie

V telekomunikáciách umožňuje SIC Vynikajúce tepelné riadenie zariadení zvládnuť vyššiu hustotu výkonu, zlepšuje výkon v bunkových základných staniciach a podporuje 5G zavedenie.Tieto pokroky spĺňajú potrebu lepšieho výkonu a energetickej účinnosti v bezdrôtovej komunikácii novej generácie.

Obrázok 15: Karbid kremíka tretej generácie

V priemyselnom prostredí SIC vydrží drsné prostredie a vysoké napätie, čo umožňuje efektívne vzory s menším chladením, vyššou účinnosťou a nižšími nákladmi, čím sa zvyšuje výkon systému.

Obrázok16: Výroba ocele s karbidom kremíka

Na obranu a letecký priestor sa SIC používa v radarových systémoch, vesmírnych vozidlách a elektronike lietadiel.Komponenty SIC sú ľahšie a efektívnejšie ako kremík, najlepšie pre vesmírne misie, kde znižuje náklady na zníženie hmotnosti.

Obrázok 17: Výroba a aplikácie SIC End-End

Záver

Karbid kremíka (SIC) sa stáva materiálom Go-to pre mnoho aplikácií s vysokým dopytom kvôli svojim vynikajúcim vlastnostiam a vylepšeným výrobným technikám.Vďaka svojmu širokému pásmu, veľkej tepelnej vodivosti a silnými mechanickými vlastnosťami je SIC ideálny pre tvrdé prostredie, ktoré potrebujú vysokú energiu a tepelnú odolnosť.Podrobný pohľad článku na výrobné metódy SIC ukazuje, ako pokrok v materiálovej vede umožňuje prispôsobenie vlastností SIC na uspokojenie konkrétnych priemyselných potrieb.Keď sa odvetvia pohybujú smerom k efektívnejším a kompaktnejším zariadeniam, SIC zohráva úlohu v automobilových, solárnych výkonoch, telekomunikáciách a leteckých technológiách.Očakáva sa, že prebiehajúci výskum na zníženie nákladov a zlepšenie kvality SIC zvýši svoju prítomnosť na trhu a posilní svoju dôležitú úlohu v budúcnosti polovodičových materiálov a vysokovýkonných aplikácií.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Kto používa karbid kremíka?

Karbid kremíka používajú priemyselné odvetvia a odborníci pracujúci v oblasti elektroniky, automobilového priemyslu, letectva a výroby.Inžinieri a technici sa na ňu spoliehajú na jej trvanlivosť a efektívnosť v prostrediach s vysokým stresom.

2. Na čo sa používa polovodič karbidu kremíka?

Polovodičky z karbidu kremíka sa používajú pre aplikácie s vysokou a vysokou teplotou.Používa sa v energetických zariadeniach pre elektrické vozidlá na efektívnu správu energie av diódach a tranzistoroch nachádzajúcich sa v technológiách obnoviteľnej energie a vysoko výkonných aplikácií, ako sú železničné systémy.

3. Aká je aplikácia silikónového karbidu SIC?

Aplikácie karbidu kremíka (SIC) zahŕňajú:

Elektronika: Efektívna konverzia a správa energie.

Elektrické vozidlá: Vylepšený výkon a rozsah.

Solárne meniče: zvýšený výkon energie a spoľahlivosť.

Aerospace: komponenty s vysokým teplotou a vysokým stresom.

Priemyselné vybavenie: Silné a dlhotrvajúce diely.

4. Aké výrobky sa vyrábajú z karbidu kremíka?

Výrobky vyrobené z karbidu kremíka sa pohybujú od polovodičov a elektronických zariadení až po abrazív, rezné nástroje a vykurovacie prvky.Používa sa tiež v brnení a ochrannom zariadení kvôli jeho tvrdosti a tepelnému odporu.

5. Kde sa vyrába karbid kremíka?

Karbid kremíka sa vyrába v špecializovaných zariadeniach, predovšetkým v Spojených štátoch, China a Európe.Spoločnosti prevádzkujú vysokoteplotné pece na syntézu SIC zo surovín, ako je kremeň piesok a ropný koks.

6. Aký je rozdiel medzi kremíkom a karbidom kremíka?

Rozdiel medzi kremíkom a karbidom kremíka spočíva v ich vlastnostiach a aplikáciách.Silikón je čistý prvok používaný v štandardných polovodičových zariadeniach a solárnych paneloch, zatiaľ čo karbid kremíka je zlúčeninou známa pre svoju tvrdosť, vysokú tepelnú vodivosť a schopnosť pracovať pri vyšších napätiach a teplotách.Vďaka tomu je SIC ideálnym pre aplikácie s vysokým výkonom a vysokej teploty, kde by zlyhal kremík.