Odsłoniona krzemowa węglika: właściwości, metody i zastosowania

W tym artykule bada unikalne cechy SIC, w tym jego struktura, odporność na ciepło, stabilność chemiczną i wytrzymałość mechaniczną, co czyni go lepszym niż tradycyjne materiały, takie jak krzem, azotek galu i german.Wygląda również na różne sposoby wytwarzania SIC, takich jak proces Achesona, chemiczne odkładanie pary oraz zmodyfikowany proces Lely oraz sposób, w jaki te metody poprawiają jego czystość i wydajność do celów przemysłowych.Artykuł porównuje również właściwości elektryczne, termiczne i mechaniczne SIC z innymi półprzewodnikami, podkreślając jego rosnące zastosowanie na rynkach wymagających dużej gęstości mocy, wydajności cieplnej i trwałości.

Katalog

Rycina 1: Zbliżenie dłoni kobiety trzymającej krzemowy kryształ węglika (sic) (alias Carborundum lub Moissanite)

Właściwości węglików silikonowych (SIC)

Ryc. 2: Krzemowy węglik w Petriego naczynia

Najczęstszą postacią węgliku krzemu jest węglik alfa krzemowy (α-SIC).Tworzy w temperaturach powyżej 1700 ° C i ma sześciokątny kryształowy kształt, taki jak wurtzit.Gdy temperatura wynosi poniżej 1700 ° C, wytwarzany jest węglik krzemowy beta (β-SIC).Ta wersja ma strukturę krystaliczną podobną do struktury diamentu.

Rycina 3: Karen krzemowy alfa (α-SIC)

Rycina 4: Karen krzemowy beta (β-SIC)

Rysunek 5: Skala twardości MoHS

Krzemowy węglik jest jednym z najtrudniejszych materiałów po diamencie, z twardością MOHS wynoszącą około 9 do 9,5. Jego twardość Knoop może się różnić w zależności od jego formy i czystości, ale jest ogólnie bardzo wysoka, często od 2480 do 3000 kg/mm².

Krzem krzemowy może wytrzymać bardzo wysokie ciśnienie, często ponad 3000 MPa, ma wysoką wytrzymałość na zginanie, zwykle od 400 do 500 MPa i ma dobrą wytrzymałość na ciągnięcie, między 250 a 410 MPa.

Twardość Metody testowania	Test Zakres wartości	Specyficzny Wartości (czarny krzemowa węglika)	Specyficzny Wartości (zielony krzemowa węglika)
Twardość Brinell	2400-2800 HBS	2400-2600 HBS	2600-2800 HBS
Twardość Vickersa	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 HV
Rockwell Hardness	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Twardość mohs	9-9,5	9.2-9.3	9.4-9.5

SIC dobrze prowadzi ciepło z termicznym przewodność około 120 w/mk, co czyni go świetnym Zarządzanie ciepłem w elektronice.W 20 ° C prowadzi ciepło przy około 0,41 watach Procent na stopień Celsjusza (w/cm ° C).Ale kiedy temperatura rośnie 1000 ° C, jego przewodnictwo cieplne spada do około 0,21 W/cm ° C.

Ponadto na węgiel krzemu (SIC) szybko wpływa większość metali, topienia tlenku metalu i stopie alkaliczne, ale nie rozpuszcza się w kwasach ani zasadach.Zanieczyszczenia w technicznym węgliku krzemu zwykle obejmują wolny węgiel (C) i dwutlenek krzemu (SiO2), z niewielkimi ilościami krzemu (SI), żelaza (FE), aluminium (AL) i wapnia (CA).Masa cząsteczkowa SIC wynosi 40,096.Pure SIC jest wykonane z 70,05% krzemu (SI) i 29,95% węgla (C).

Rycina 6: Struktura chemiczna z węglików krzemowych (SIC)

Rycina 7: Struktura chemiczna z węglików krzemowych (SIC)

Właściwości węgliku silikonowego typu N i P

Krzemowy węglik (sic) typu N (sic)

Krzemowa węglika (SIC) jest twardym materiałem stosowanym w zastosowaniach o wysokiej stresu, ponieważ dobrze radzi sobie z ciepłem i jest bardzo silny.Aby stworzyć SIC typu N, dodaje się zanieczyszczenia, proces zwany dopingiem, który zmienia jego właściwości elektryczne.Dodawane są pierwiastki takie jak azot lub fosfor, które mają więcej elektronów walencyjnych niż krzem, w celu zwiększenia liczby wolnych elektronów w strukturze SIC.Tworzy to negatywnie naładowany materiał lub „typ N”.

Te wolne elektrony znacznie poprawiają przewodność elektryczną SIC.W SIC typu N elektrony mogą łatwiej poruszać w porównaniu do Pure SIC, gdzie ich ruch jest ograniczony.Ten lepszy ruch elektronów sprawia, że ​​SIC typu N jest idealny do elektroniki energetycznej i urządzeń o wysokiej częstotliwości, w których szybki i wydajny przepływ elektronów.Podczas gdy SIC typu N ma lepszą przewodność, nie prowadzi zarówno energii elektrycznej, jak i metali, utrzymując jej półprzewodnikowe właściwości.Bilans ten pozwala na precyzyjną kontrolę przepływu elektronów w różnych urządzeniach elektronicznych.

Krzemowy węglik typu p (sic)

Krzemowa (SIC) typu P działa inaczej niż wersja typu N.Doping typu P polega na dodaniu elementów takich jak bor lub aluminium, które mają mniej elektronów walencyjnych niż krzem.To tworzy „otwory” lub przestrzenie, w których brakuje elektronów, nadając materiałowi ładunek dodatni i czyniąc go „typem p”.Otwory te pomagają przenosić prąd elektryczny, umożliwiając poruszanie się dodatnich ładunków.

Dlaczego preferował węglik krzemowy (sic)?

Rysunek 8: Materiały półprzewodników

Poniższa tabela zawiera szczegółowe porównanie czterech materiałów półprzewodników: krzem (SI), azotku galu (GAN), germanu (GE) i węgliku krzemu (SIC).Porównanie jest organizowane w różne kategorie.

Aspekt	Krzem (Si)	Gal Azotek (Gan)	German (GE)	Krzem Węglika (sic)
Właściwości elektryczne	Dojrzałe procesy, bandgap 1,1 eV, ograniczone w wysokiej mocy/częstotliwości	Wysoka mobilność elektronów, 3,4 eV Bandgap, Zastosowania o dużej mocy/częstotliwości	Wysoka mobilność elektronów, 0,66 eV Bandgap, wysoki przeciek	Szerokie bandgap 3,2 eV, wydajne na wysokim poziomie napięcia/temperatury, niski wyciek
Właściwości termiczne	Umiarkowana przewodność cieplna, może ograniczać Zastosowania o dużej mocy	Lepsze niż krzem, ale wymaga zaawansowanego chłodzenie	Niższe przewodnictwo cieplne niż krzem	Wysoka przewodność cieplna, skuteczne ciepło rozpusta
Właściwości mechaniczne	Kruche, wystarczające do większości zastosowań	Kruche, podatne na pękanie niedopasowanego substraty	Bardziej kruche niż krzem	Twarde, mocne, odpowiednie dla wysokiej rozwodowania Zastosowania
Adopcja rynkowa	Dominujący z powodu ustalonej infrastruktury i niski koszt	Popularny w telekomunikacji i obronie, ograniczony Wysoki koszt	Ograniczone z powodu mniej korzystnych nieruchomości	Wysoka gęstość mocy, operacja o wysokiej temperaturze, Wydajność, trwałość, ciągłe zmniejszenie kosztów

Robienie krzemowego węgliku (sic)

Aby zrobić węglik krzemowy, zwykle podgrzewasz krzemionkę i rzeczy bogate w węgiel, takie jak węgiel do prawie 2500 stopni Celsjusza.Daje to ciemniejszy krzem z niektórymi zanieczyszczeniami żelaza i węgla.Krzem krzemowy można syntetyzować za pomocą czterech głównych metod, z których każda ma odrębne korzyści dostosowane do poszczególnych zastosowań.Metody te obejmują:

Reakcja związana z węglikiem krzemowym (RBSC)

Krzem krzemowy związany z reakcją (RBSC) jest wykonany z drobno mieszanej mieszanki węgliku krzemu i węgla.Mieszanina jest podgrzewana do wysokiej temperatury i eksponuje na ciecz lub krzem pary.Krzem i węgiel reagują, tworząc więcej węglików krzemowych, a krzem wypełnia wszelkie resztki.Podobnie jak azotek krzemowy związany z reakcją (RBSN), RBSC zmienia się bardzo niewiele podczas spiekania.Kiedy produkty te dotrą do temperatury topnienia krzemu, pozostają prawie tak silne, jak wcześniej.RBSC jest popularny w branży ceramicznej, ponieważ jest opłacalny i może być kształtowany w złożone projekty.

Rycina 9: Krzem krzemowy związany reakcja

Reakcja Procedura związana z węglikiem krzemu (RBSC):

Połącz gruboziarniste cząstki węgla krzemu z krzemionem i plastyfikatorami.Mieszaj, aż osiągnięto jednoliczną mieszankę;

Maj mieszaninę do pożądanych kształtów i form.Zapewnić precyzję geometrii w celu dopasowania ostatecznych specyfikacji;

Umieść ukształtowane elementy w piecu o wysokiej temperaturze.Ciepło do temperatury, które powoduje reakcję między cząstkami krzemu i węgla krzemu;

Krzem reaguje z węglikiem krzemowym, wiązając się z matrycą i rosnącą wytrzymałość i trwałość;

Pozwól, aby elementy stopniowo ostygnąć do temperatury pokojowej;

Wypolerowaj chłodzone kawałki, aby spełnić dokładne specyfikacje i popraw wykończenie powierzchni.

Zmodyfikowany proces Lely

Rysunek 10: Zmodyfikowany proces Lely

Metoda, utworzona w 1978 r. Przez Tairova i Tsvetkov, nazywana jest również metodą zmodyfikowaną.Zmodyfikowany proces Lely poprawia syntezę kryształów węgla krzemu.Obejmuje ogrzewanie, a następnie chłodzenie proszku SIC w częściowo zamkniętym pojemniku, pozwalając mu tworzyć kryształy na nasiona, która jest utrzymywana w nieco chłodniejszej temperaturze.

Zmodyfikowana procedura procesu Lely:

Dokładnie wymieszaj proszki krzemowe i węglowe.Umieść mieszaninę w tyglu grafitowym;

Umieść tygiel w piecu.Ciepło do około 2000 ° C w środowisku próżni lub obojętnego gazu, aby zapobiec utlenianiu;

Mieszanina węglików silikonowych sublimuje się, zmieniając się z stałego na gaz.

Pary z węglików krzemionowych osadzają się na centralnie ustawionym grafitowym pręcie grafitowym.Pojedyncze kryształy o wysokiej czystości tworzą się na pręcie.

Ostrożnie ochłodzić system do temperatury pokojowej.

Wyodrębnij kryształy węglika krzemowego o wysokiej czystości z pręta grafitowego do stosowania w zastosowaniach zaawansowanych technologii.

Chemiczne osadzanie pary (CVD)

Rycina 11: Odkładanie pary chemicznej (CVD)

Reaktywny związek silanowy, wodór i azot zastosowano w metodzie chemicznej osadzania pary (CVD) w celu wytwarzania węgliku krzemu (SIC) w temperaturach między 1073 a 1473 K. poprzez zmianę ustawień reakcji chemicznej, makijaż i twardość osadzania się puszki puszkibyć kontrolowane.W procesie CVD dla węgliku krzemu wodór i zepsuty metylotrichlorosilan (MTS) mieszają się na powierzchni o wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu, aby utworzyć kontrolowaną warstwę gęstego węgla krzemu.

Procedura odkładania pary chemicznej (CVD):

Przygotuj tetrachlorek krzemu (SICL4) i metan (CH4) jako podstawowe źródła chemiczne;

Umieść tetrachlorku krzemu i metan w reaktorze o wysokiej temperaturze;

Podgrzewać reaktor na wymaganą temperaturę w celu zainicjowania reakcji chemicznych;

Środowisko o wysokiej temperaturze powoduje reakcje między tetrachlorkiem krzemowym a metanem.Reakcje te tworzą węglik krzemu (SIC);

Węglik silikonowy tworzy i osadza się na pożądanych podłożach w reaktorze;

Pozwól reaktorowi i jego zawartość stopniowo ostygnąć;

Wyodrębnij powlekane podłoża lub komponenty.Przeprowadź wszelkie procesy końcowe, aby spełnić ostateczne specyfikacje.

Proces achesona

Rycina 12: Proces achesonu

Najczęstszym sposobem tworzenia SIC jest metoda Achesona.Edward Goodrich Acheson stworzył ten proces w 1893 roku, aby uzyskać SIC i grafit.Od tamtej pory wiele roślin węglików krzemowych stosuje tę metodę.

Procedura procesu Achesona:

Dokładnie wymieszaj piasek krzemionkowy z coli;

Ułóż mieszaninę wokół centralnego pręta grafitowego w elektrycznym piecu oporowym;

Podgrzej piec do prawie 2500 ° C.Utrzymuj temperaturę w celu napędzania reakcji chemicznej;

Intensywne ciepło powoduje reakcję krzemionki i węgla, tworząc węglik krzemowy;

Pozwól piecu stopniowo ostygnąć;

Wyciągnąć utworzony krzem z pieca;

Dalsze przetwarzaj węgliek krzemu w razie potrzeby.

Ta tabela zawiera uproszczone porównanie czterech metod stosowanych do wytwarzania węgliku krzemu (SIC).Ma pomóc zrozumieć unikalne zalety i najlepsze zastosowania każdej techniki produkcyjnej.

Metoda	Zalety	To, co najlepsze Zastosowania
Reakcja związana z węglikiem krzemowym (RBSC)	Tworzy mocne, trwałe części Dobre do złożonych kształtów Niewielkie odkształcenie	Platforma zbroi, dysze o wysokiej wydajności
Zmodyfikowany proces Lely	Bardzo czyste kryształy Idealna struktura Lepsza kontrola procesu	Półprzewodniki, obliczenia kwantowe
Chemiczne osadzanie pary (CVD)	Nawet kompozycja Wysoka czystość Może używać różnych materiałów	Powłoki odporne na zużycie, odporne na korozję powłoki, przemysł półprzewodnikowy
Proces achesona	Prosty i niski koszt Może wytwarzać duże ilości Spójne, wysokiej jakości kryształy	Materiału ścierne, materiały refrakcyjne

Krzemowy węglika (sic) we współczesnych zastosowaniach

W branży motoryzacyjnej, szczególnie w przypadku pojazdów elektrycznych, SIC poprawia wydajność falownika i sprawia, że ​​systemy zarządzania akumulatorami są mniejsze, rozszerzające się zasięg pojazdów i koszty cięcia.Goldman Sachs szacuje, że ulepszenia te mogą zaoszczędzić około 2000 USD na pojazd.

Rycina 13: Hamulec dysk z węglika krzemu

W energii słonecznej SIC zwiększa wydajność falownika, umożliwiając wyższe prędkości przełączania, co zmniejsza rozmiar i koszty obwodu.Jego trwałość i stabilna wydajność sprawiają, że jest lepszy niż materiały takie jak azotek galu do zastosowań słonecznych.

Rysunek 14: SIC dla systemów energii słonecznej

W telekomunikacji SIC doskonałe zarządzanie termicznie pozwala urządzeniom obsługiwać wyższą gęstość mocy, poprawić wydajność w stacjach bazowych komórkowych i obsługując wdrażanie 5G.Postępy te spełniają potrzebę lepszej wydajności i efektywności energetycznej w komunikacji bezprzewodowej nowej generacji.

Rycina 15: Krzyżki półprzewodników trzeciej generacji

W ustawieniach przemysłowych SIC wytrzymuje trudne środowiska i wysokie napięcia, umożliwiając usprawnione projekty o mniejszym chłodzeniu, wyższej wydajności i niższych kosztach, zwiększając wydajność systemu.

Ryc. 16: Stalowe wytwarzanie z węgliku krzemu

W obronie i lotniczej SIC jest stosowany w systemach radarowych, pojazdach kosmicznych i elektronice samolotów.Komponenty SIC są lżejsze i bardziej wydajne niż krzem, najlepiej na misje kosmiczne, w których obniżenie kosztów obniżenia masy.

Rycina 17: Produkcja i zastosowania SIC od końca do końca

Wniosek

Krzemowy węglik (SIC) staje się materiałem do wielu zastosowań o wysokim popycie ze względu na doskonałe właściwości i ulepszone techniki produkcji.Dzięki szerokiej bandgap, doskonałej przewodności cieplnej i silnym właściwościom mechanicznym, SIC jest idealny dla trudnych środowisk wymagających dużej mocy i odporności na ciepło.Szczegółowe spojrzenie na metody produkcji SIC pokazuje, w jaki sposób postępy w naukach materialnych pozwalają na dostosowanie właściwości SIC w celu zaspokojenia określonych potrzeb przemysłowych.Gdy branże zmieniają się w kierunku bardziej wydajnych i kompaktowych urządzeń, SIC odgrywa rolę w technologii motoryzacyjnej, słonecznej, telekomunikacji i technologii lotniczych.Oczekuje się, że trwające badania mające na celu zmniejszenie kosztów i poprawy jakości SIC zwiększą jego obecność rynkową, wzmacniając swoją ważną rolę w przyszłości materiałów półprzewodnikowych i zastosowań o wysokiej wydajności.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Kto używa węgliku krzemowego?

Krzemowy węglika jest wykorzystywana przez branże i profesjonaliści pracujący w elektronice, motoryzacyjnej, lotniczej i produkcji.Inżynierowie i technicy polegają na nim ze względu na swoją trwałość i wydajność w środowiskach o wysokiej stresu.

2. Do czego służy półprzewodnik z węglików krzemu?

Semiconducory z węglików krzemowych są stosowane do zastosowań o dużej mocy i wysokiej temperaturze.Jest stosowany w urządzeniach energetycznych dla pojazdów elektrycznych do efektywnego zarządzania energią oraz w diodach i tranzystorach występujących w technologiach energii odnawialnej i zastosowaniach o dużej mocy, takich jak systemy kolejowe.

3. Jakie jest zastosowanie krzemowego węglika?

Zastosowania węgliku krzemu (sic) obejmują:

Power Electronics: Efektywna konwersja i zarządzanie energią.

Pojazdy elektryczne: zwiększona wydajność i zasięg.

Falowniki słoneczne: zwiększona moc i niezawodność energii.

Aerospace: komponenty o wysokiej temperaturze i stresu.

Sprzęt przemysłowy: mocne i długotrwałe części.

4. Jakie produkty są wytwarzane z węgliku krzemu?

Produkty wykonane z krzemowych węglików, od półprzewodników i urządzeń elektronicznych po ścierne, narzędzia tnące i elementy grzewcze.Jest również stosowany w zbroi i sprzęcie ochronnym ze względu na jego twardość i opór cieplny.

5. Gdzie wytwarzany jest węglik krzemowy?

Krzemowy węglik jest produkowany w specjalistycznych obiektach, głównie w Stanach Zjednoczonych, China i Europie.Firmy prowadzą piece w wysokiej temperaturze, aby syntetyzować SIC z surowców, takich jak piasek kwarcowy i koks ropy naftowej.

6. Jaka jest różnica między krzemem a węglikiem krzemu?

Różnica między krzemem a węglikiem krzemu leży w ich właściwościach i zastosowaniach.Krzem jest czystym elementem stosowanym w standardowych urządzeniach półprzewodników i panelach słonecznych, podczas gdy węglik krzemu jest związkiem znanym z twardości, wysokiej przewodności cieplnej i zdolności do działania przy wyższych napięciach i temperaturach.To sprawia, że ​​SIC jest idealny do zastosowań o dużej mocy i wysokiej temperaturze, w których krzem zawodziłby.