مقدمة

كربيد السيليكون (SiC) كربيد السيليكون مادة سيراميكية معروفة، تُعدّ مفيدة جدًا في التكنولوجيا الحديثة. في الواقع، لا يمكن للعديد من الصناعات الناشئة اليوم، التي تتطلب درجات حرارة عالية واستقرارًا حراريًا في ظروف عمل مكثفة، الاستغناء عن كربيد السيليكون. والسبب ليس مستبعدًا، إذ يتمتع كربيد السيليكون بخصائص أساسية تجعله يؤدي أداءً باهرًا في هذه الظروف. وأهمها الصلابة الفائقة والتوصيل الحراري العالي لهذه المادة السيراميكية الرائجة. في مقال اليوم، ستتعرف على المزيد حول خصائص كربيد السيليكون ومدى فائدتها في مجال الطاقة الجديدة والصناعات الناشئة عالميًا. كما ستتعرف على فوائد كربيد السيليكون (SiC) في أشباه الموصلات وصناعة إلكترونيات الطاقة.

ما هو كربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون (SiC) مادة سيراميكية بلورية رمادية اللون، تُصنع صناعيًا من السيليكون والكربون. يتميز كربيد السيليكون ببنية شبكية بلورية رباعية السطوح من الكربون والسيليكون، مترابطين تساهميًا، مما يجعله شديد الصلابة. يُطلق عليه معظم المصنّعين اسم "كاربوراندوم"، وهو ذو أهمية بالغة اليوم نظرًا لمعايير أدائه وخصائصه العالية. يُعد كربيد السيليكون، أكثر من أي مادة سيراميكية متطورة أخرى، مكونًا رئيسيًا في الجيل الثالث من أشباه الموصلات التي نراها اليوم. بدونه، لن تعمل معظم هذه الأشباه بشكل صحيح، إذ ستتكسر تحت تأثير الحمل والشد الثقيلين، أو ستسخن بشدة في درجات الحرارة العالية بسبب ضعف تبديد الحرارة.

يُصنع كربيد السيليكون بسهولة باستخدام عملية أتشيسون. كل ما عليك فعله هو خلط فائض السيليكون (الكوارتز البترولي) مع بعض الإضافات الأساسية والكربون (فحم الكوك الصناعي) في فرن ذي حرارة عالية جدًا تصل إلى 2400 درجة مئوية. إذا كنتَ مُصنِّعًا وترغب في إنتاج أجود أنواع كربيد السيليكون للتطبيقات عالية المستوى، يمكنكَ اللجوء إلى عملية تلبيد كربيد السيليكون تحت درجات حرارة أعلى وضغط أقل.

إذًا، ما استخدامات كربيد السيليكون؟ في الواقع، استخدامات كربيد السيليكون متعددة ومتعددة القطاعات. يُعد كربيد السيليكون من المواد الخزفية المتطورة القليلة التي يمكنها تحسين كفاءة وأداء أي من أجهزتك أو معداتك الصناعية بشكل ملحوظ. كمهندس إنتاج، يُمكنه مساعدتك في إنتاج أجهزة أسرع وأكثر استقرارًا - أجهزة ليست فقط مقاومة لارتفاع درجة الحرارة، بل خفيفة الوزن أيضًا، مما يُقلل بشكل كبير من تكلفة الإنتاج.

يُمكن استخدام كربيد السيليكون لإنتاج بطاريات أكثر أمانًا وفعاليةً للسيارات الكهربائية بفضل خفة وزنه وثباته الحراري. تتميز بطاريات كربيد السيليكون هذه بسرعة شحنها، ليس فقط في السيارات الكهربائية، بل في الأجهزة الإلكترونية الأخرى عالية الطاقة. تستخدم شركات السيارات، ومؤخرًا صناعة الطيران، مواد كربيد السيليكون لإنتاج قطع الغيار، ومحامل المحركات، وحلقات الختم، نظرًا لمتانتها الفائقة ومقاومتها للتآكل.

يمكنك أيضًا استخدامه لإنتاج رقائق كربيد السيليكون ورقائق السيليكون لأشباه الموصلات عالية الجودة، مقاومة للتآكل أدوات/عجلات الطحن والقطع، وبطانات الأفران، والأجهزة البصرية، والمرايا، والأجهزة الطبية مثل الأشعة السينية ومجموعة من المكونات الأساسية الأخرى المستخدمة في الصناعات الجديدة اليوم.

خصائص كربيد السيليكون

بعض الخصائص المتميزة لـ SiC هي:

• إنه غير قابل للذوبان في الماء والأحماض

• يتميز بقوة ضغط عالية وصلابة كسر تبلغ 6.8 ميجا باسكال·√م

• تبلغ كثافته 3.21 جم / سم 3

• تبلغ صلابته 32 جيجا باسكال وتصنيفه 9.5 على مقياس موس للصلابة

• إنه شبه موصل ذو فجوة نطاق واسعة مع فجوة نطاق تبلغ 3.26 إلكترون فولت

• تمتلك موصلية حرارية تبلغ 120 واط/م•ك

• تتمتع بمعامل مرونة يبلغ 440 جيجا باسكال

• تبلغ قوة الانحناء 490 ميجا باسكال

• يمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 2600 درجة مئوية

• معامل التمدد الحراري هو 4.0 × 10–6/°C

• فهو مقاوم للغاية للتآكل والتلف.

كربيد السيليكون وأشباه الموصلات

قبل ذلك، استخدمت العديد من الصناعات رقائق السيليكون وبعض المواد الخزفية المتقدمة الأخرى لتصنيع أشباه الموصلات للأجهزة والآلات الإلكترونية. يُمكن تسمية هذه الأشباه بـ"أشباه الموصلات من الجيل الأول" نظرًا لبطء سرعتها وارتفاع حرارتها. ومع ذلك، ولأنها لم تكن أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة، فقد كانت كفاءتها الإجمالية ضعيفة، خاصةً مع تزايد الطلب على الدقة العالية في درجات الحرارة المرتفعة. أما اليوم، فقد أدى استخدام كربيد السيليكون في هذه الصناعات نفسها إلى إنتاج أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة أفضل بكثير. تحتوي هذه الأشباه، المعروفة الآن باسم "أشباه الموصلات من الجيل الثالث"، على رقائق كربيد السيليكون ورقائق SiC.

تستخدم الصناعات الناشئة ركائز كربيد السيليكون (الرقائق والرقائق الرقيقة) لتحسين معايير أداء أشباه الموصلات واسعة النطاق المُنتجة حديثًا. تُساعد رقائق كربيد السيليكون ومشتتات الحرارة في أشباه الموصلات والألواح الإلكترونية لأجهزة الطاقة على تبديد الحرارة بشكل أسرع. كما أنها تجعلها متينة بما يكفي لتحمل الشد أو الحمل الزائد دون أن تنكسر. كل هذا ممكن بفضل صلابة كربيد السيليكون وموصليته الحرارية العالية.

اليوم، لا يزال المهندسون يفضلون أشباه الموصلات القائمة على كربيد السيليكون على السيليكون في إنتاجهم. لماذا؟ لانخفاض تكلفة إنتاجها، وبالمقارنة مع غيرها، لا تسخن أو تتعطل في درجات الحرارة العالية، والظروف الميكانيكية القاسية، والضغوط البيئية العالية. ترجع هذه المزايا إلى ثباتها الحراري الممتاز وصلابتها.

كفاءة هذه مواد SiC يمكن تحسين خصائص أشباه الموصلات بإضافة مواد محفزة إليها. من هذه المواد البورون والألمنيوم والزرنيخ والفوسفور، وغيرها.

إذن، إن لم يكن كربيد السيليكون، فما هي المادة الأفضل التي قد تفكرون بها كمصنّعين لإنتاج وطلاء هذه أشباه الموصلات؟ لا شيء! لننتقل الآن إلى استخدام كربيد السيليكون في الصناعات الناشئة.

كربيد السيليكون والصناعات الناشئة

تستخدم العديد من الصناعات التحويلية التي انطلقت في السنوات القليلة الماضية كربيد السيليكون في تطبيقات عالية الدقة. وتشمل هذه الصناعات قطاعات متنوعة، مثل الهندسة، والسيارات، وإلكترونيات الطاقة، والطاقة الشمسية، والفضاء، والمواد الكاشطة، ومؤخرًا الرعاية الصحية. وتحتاج جميع هذه الصناعات إلى مادة سيراميكية متينة للغاية تتمتع بخصائص ممتازة، كتلك التي يوفرها كربيد السيليكون. على سبيل المثال، تحتاج شركات الهندسة الميكانيكية إلى مواد عالية القوة لإنتاج القضبان، وبطانات أفران الصهر، ودوارات الآلات، وحلقات الختم. ويُعدّ كربيد السيليكون أفضل مادة لهذه التطبيقات، إذ يتفوق عليه الماس فقط من حيث الصلابة والاستقرار الحراري.

تعلم شركات صناعة السيارات أن قطع غيار سياراتها ومحركاتها ستعمل بشكل أفضل باستخدام كربيد السيليكون. كيف؟ يتميز كربيد السيليكون بصلابة عالية كما ذكرنا سابقًا، كما أنه مقاوم جدًا للتآكل والمواد الكيميائية المسببة للصدأ، ومستقر بما يكفي لتوصيل الحرارة والكهرباء دون التسبب في مشاكل خارجية. هذه صفات أساسية لإنتاج سيارات جيدة بقطع غيار وأداء ممتاز.

مع دخول صناعات السيارات الجديدة الآن في إنتاج المركبات الكهربائية مثل تسلا، فإنها تحتاج إلى SiC لتحسين معدلات تحويل الطاقة، وإنتاج بطاريات كربيد السيليكون، وتقليل الحجم، والحفاظ على تسارع وتباطؤ مستقرين أثناء القيادة.

الطاقة الشمسية ليست استثناءً، فالصناعات الناشئة في هذا المجال تُنتج الآن عاكسات وبطاريات شمسية عالية الكفاءة ووحدات طاقة مصنوعة من كربيد السيليكون. وتُستخدم أجهزة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS) وتوربينات الرياح في الطاقة المتجددة، جميعها ضمن استخدام كربيد السيليكون. يُساعد كربيد السيليكون على تقليل تكلفة المواد وحجمها، مع زيادة فعالية هذه المنتجات الشمسية. تصل معدلات تحويل الطاقة الشمسية الآن إلى 95% على الأقل بفضل استخدام كربيد السيليكون. وبمعدل 97.5%، قللت هذه العاكسات المُحسّنة من إجمالي فاقد الطاقة بما يعادل 25%. يمكنك تخيل المزايا الرائعة التي يوفرها كربيد السيليكون هنا.

علاوة على ذلك، تستخدم إلكترونيات الطاقة أيضًا كربيد السيليكون (SiC) في إنتاج مصابيح LED أكثر كفاءةً وتوفيرًا للطاقة. بفضل انخفاض فقدان الحرارة وتحسين التوصيل الكهربائي، يميل كربيد السيليكون إلى جعل مصابيح LED هذه تدوم لفترة أطول، بل وأكثر سطوعًا. وهذا يُسهم في خفض تكلفة الإنتاج وتحسين النتائج للصناعات في هذا المجال.

أظهرت الأبحاث مؤخرًا أن استخدام كربيد السيليكون وتطبيقاته في جميع هذه الصناعات الناشئة قد شهد ارتفاعًا هائلاً عالميًا. ومع ازدياد وتيرة نموه، من المتوقع أن يصل سوق كربيد السيليكون الحالي (لأشباه الموصلات، وإلكترونيات الطاقة، وتطبيقات أخرى)، والذي تبلغ قيمته $4 مليار دولار أمريكي في عام 2023، إلى أعلى مستوى له في السوق يتجاوز $10 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026.

يستثمر المستثمرون في الطاقة الجديدة والسيراميك فيها بمعدلات مذهلة. ينتشر موردو كربيد السيليكون بكثرة في مختلف قارات العالم بفضل الإمكانات الهائلة لكربيد السيليكون. تواصل معنا الآن على GGS سيراميك للحصول على مواد SiC وSiC المُلبَّدة عالية الجودة التي تُناسب تطبيقاتك. نحن روّاد موردي كربيد السيليكون، ونضمن لك الحصول على الأفضل.

الأسئلة الشائعة

ما هي استخدامات كربيد السيليكون؟

بالإضافة إلى استخدام كربيد السيليكون في الظروف البيئية شديدة الضغط والميكانيكية، يستخدمه معظم المصنعين كمادة كاشطة لإنتاج ورق الصنفرة أو أدوات الطحن أو القطع والعجلات.

ما هي المواد الخام المستخدمة في إنتاج كربيد السيليكون؟

المواد الخام الرئيسية المستخدمة في إنتاج SiC (من خلال عملية Acheson) هي الكوارتز البترولي (السيليكون الصناعي) والكوك (الكربون).

ما هي درجة انصهار كربيد السيليكون؟

ليس لكربيد السيليكون درجة انصهار ثابتة. مع ذلك، ستلاحظ أنه يبدأ بالتسامي عند درجة حرارة ٢٧٣٠ درجة مئوية.

خاتمة

الآن، أنت بالتأكيد تعرف أفضل الإجابات على سؤال "ما استخدامات كربيد السيليكون؟" لذا، إذا كنت مبتدئًا أو كنت تعمل في هذا المجال، فأنت تعلم يقينًا أن كربيد السيليكون هو الخيار الأمثل. هذا مادة سيراميكية متعددة الأبعاد يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع في أشباه الموصلات، وإلكترونيات الطاقة، والعديد من المجالات الأخرى. فبالإضافة إلى صلابته وثباته الحراري، فإن قدرته على مقاومة المواد الكيميائية الخطرة، ودرجات الحرارة العالية، والتآكل والتلف في الظروف القاسية تجعله مادة ممتازة يمكن لأي مُصنِّع الاعتماد عليها. يستحق كربيد السيليكون كل هذه الشعبية والتقدير العالميين اليوم. ولا شك أنه يُمثل شعاع أملٍ قوي للصناعات الناشئة الآن وفي المستقبل!