Wstęp

Węglik krzemu (SiC) to dobrze znany materiał ceramiczny, niezwykle przydatny we współczesnej technologii. Prawdą jest, że wiele rozwijających się branż, wymagających wysokich temperatur i stabilności termicznej w intensywnych warunkach pracy, praktycznie nie może obejść się bez węglika krzemu. Powód tego nie jest oderwany od rzeczywistości – węglik krzemu posiada niezbędne właściwości, które pozwalają mu doskonale sprawdzać się w takich warunkach. Najważniejsze z nich to wyjątkowa twardość i wysoka przewodność cieplna tego modnego materiału ceramicznego. W dzisiejszym artykule dowiesz się więcej o właściwościach węglika krzemu i ich przydatności dla nowej energetyki i rozwijających się gałęzi przemysłu na całym świecie. Dowiesz się również, dlaczego SiC przynosi korzyści branży półprzewodników i elektroniki mocy.

Czym jest węglik krzemu?

Węglik krzemu (SiC) to szarawy, krystaliczny materiał ceramiczny wytwarzany przemysłowo z krzemu i węgla. Węglik krzemu ma tetraedryczną strukturę sieci krystalicznej, składającą się z węgla i krzemu, połączonych wiązaniami kowalencyjnymi, co zapewnia mu wyjątkową twardość. Większość producentów nazywa go karborundem i jest on obecnie bardzo popularny ze względu na wysokie standardy wydajności i właściwości. Węglik krzemu, bardziej niż jakikolwiek inny zaawansowany materiał ceramiczny, jest głównym składnikiem półprzewodników trzeciej generacji, które można dziś spotkać. Bez niego większość tych półprzewodników nie działałaby prawidłowo. Pękłyby pod dużym obciążeniem i naprężeniem lub przegrzałyby się w wysokich temperaturach z powodu słabego odprowadzania ciepła.

Węglik krzemu jest w rzeczywistości łatwy do wytworzenia metodą Achesona. Wystarczy wymieszać nadmiar krzemu (kwarc naftowy) wraz z niezbędnymi dodatkami z węglem (koks przemysłowy) w piecu o ekstremalnie wysokiej temperaturze, sięgającej 2400°C. Jeśli jesteś producentem poszukującym najwyższej jakości węglika krzemu do wymagających zastosowań, możesz pójść o krok dalej i spiekać węglik krzemu w wyższych temperaturach i przy niższym ciśnieniu.

Do czego więc służy węglik krzemu? W rzeczywistości zastosowania węglika krzemu (SiC) są liczne i obejmują wiele sektorów. Węglik krzemu to jeden z niewielu zaawansowanych materiałów ceramicznych, który może znacząco poprawić wydajność i osiągi dowolnego urządzenia lub sprzętu przemysłowego. Jako inżynier produkcji, może on pomóc Ci produkować szybsze i bardziej stabilne urządzenia – urządzenia, które są nie tylko odporne na przegrzanie, ale także lekkie, co może znacznie obniżyć koszty produkcji.

Węglik krzemu można wykorzystać do produkcji bezpieczniejszych i lepszych akumulatorów do pojazdów elektrycznych ze względu na jego lekkość i stabilność termiczną. Akumulatory z węglika krzemu ładują się szybciej nie tylko w pojazdach elektrycznych, ale także w innych urządzeniach elektronicznych dużej mocy. Firmy motoryzacyjne, a ostatnio także przemysł lotniczy i kosmiczny, wykorzystują materiały SiC do produkcji części zamiennych, łożysk silników i pierścieni uszczelniających ze względu na ich wyjątkowo twardą i odporną na zużycie naturę.

Można go również używać do produkcji układów scalonych z węglika krzemu i płytek krzemowych do półprzewodników wysokiej jakości, odporny na zużycie narzędzia/koła do szlifowania i cięcia, wykładziny pieców, instrumenty optyczne, lustra, urządzenia medyczne, takie jak aparaty rentgenowskie, i wiele innych niezbędnych elementów wykorzystywanych obecnie w nowych gałęziach przemysłu.

Właściwości węglika krzemu

Oto niektóre z wyjątkowych właściwości SiC:

• Jest nierozpuszczalny w wodzie i kwasach

• Posiada wysoką wytrzymałość na ściskanie i odporność na pękanie wynoszącą 6,8 MPa·√m

• Posiada gęstość 3,21 g/cm3

• Posiada twardość 32 GPa i ocenę 9,5 w skali twardości Mohsa

• Jest to półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej wynoszącej 3,26 eV

• Posiada współczynnik przewodzenia ciepła 120 W/m•K

• Posiada moduł sprężystości 440 GPa

• Posiada wytrzymałość na zginanie 490 MPa

• Wytrzymuje temperatury sięgające 2600°C

• Współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi 4,0 x10–6/°C

• Materiał ten jest wysoce odporny na korozję i zużycie.

Węglik krzemu i półprzewodniki

Wcześniej wiele branż wykorzystywało układy scalone krzemowe i inne zaawansowane materiały ceramiczne do produkcji półprzewodników do urządzeń elektronicznych i maszyn. Można je nazwać „półprzewodnikami pierwszej generacji” ze względu na ich niską prędkość i przegrzewanie. Ponieważ jednak nie były to półprzewodniki szerokopasmowe, ich ogólna wydajność była niska, zwłaszcza w obliczu rosnącego zapotrzebowania na wysoką precyzję w wysokich temperaturach. Przechodząc do teraźniejszości, zastosowanie węglika krzemu w tych samych branżach doprowadziło do produkcji lepszych, znacznie udoskonalonych półprzewodników szerokopasmowych. Te półprzewodniki, znane obecnie jako „półprzewodniki trzeciej generacji”, zawierają układy scalone z węglika krzemu i płytki SiC.

Rozwijające się gałęzie przemysłu wykorzystują podłoża z węglika krzemu (chipów i płytek), aby podnieść standardy wydajności tych nowo produkowanych półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. Chipy z węglika krzemu i radiatory w półprzewodnikach i panelach elektronicznych urządzeń mocy pomagają im szybciej odprowadzać ciepło. Sprawiają one również, że są one wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać naprężenia lub przeciążenia bez pękania. Wszystko to jest możliwe dzięki twardości i wysokiej przewodności cieplnej SiC.

Dziś inżynierowie nadal preferują w swojej produkcji półprzewodniki na bazie węglika krzemu zamiast krzemu. Dlaczego? Mają niskie koszty produkcji i, w porównaniu z innymi, nie przegrzewają się ani nie ulegają uszkodzeniu w wysokich temperaturach, w warunkach dużego obciążenia mechanicznego i w warunkach dużego obciążenia. Zalety te wynikają z ich doskonałej stabilności termicznej i twardości.

Efektywność tych Materiały SiC W półprzewodnikach można je nawet ulepszyć poprzez domieszkowanie. Niektóre domieszki obejmują bor, aluminium, arsen, fosfor itp.

Jeśli więc nie węglik krzemu, jaki inny lepszy materiał rozważylibyście jako producenci do produkcji i powlekania tych półprzewodników? Żaden! Przyjrzyjmy się bliżej zastosowaniu węglika krzemu w rozwijających się branżach.

Węglik krzemu i rozwijające się gałęzie przemysłu

Wiele branż produkcyjnych, które powstały w ciągu ostatnich kilku lat, wykorzystuje węglik krzemu w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji. Branże z różnych sektorów, takich jak inżynieria, motoryzacja, elektronika energetyczna, energetyka słoneczna, przemysł lotniczy i kosmiczny, materiały ścierne, a ostatnio także opieka zdrowotna, potrzebują bardzo stabilnego i wytrzymałego materiału ceramicznego o doskonałych właściwościach, takich jak te, które zapewnia SiC. Na przykład firmy zajmujące się inżynierią mechaniczną potrzebują materiałów o wysokiej wytrzymałości do produkcji prętów, wyściółek pieców, wirników maszyn i pierścieni uszczelniających. Najlepszym materiałem do tych zastosowań jest SiC, ponieważ pod względem twardości i stabilności termicznej przewyższa go tylko diament.

Branża motoryzacyjna wie, że części zamienne i silniki samochodowe będą działać lepiej z węglikiem krzemu. Jak to możliwe? SiC jest bardzo twardy, jak już wspomnieliśmy; jest również bardzo odporny na zużycie i substancje chemiczne powodujące rdzę oraz wystarczająco stabilny, aby przewodzić ciepło i prąd bez powodowania uszkodzeń zewnętrznych. Są to niezwykle istotne cechy, jeśli chcesz produkować dobre samochody z doskonałymi częściami i funkcjonalnością.

Wraz z pojawieniem się nowych gałęzi przemysłu motoryzacyjnego, które zajmują się produkcją pojazdów elektrycznych, takich jak Tesla, konieczne jest zastosowanie SiC w celu zwiększenia współczynnika konwersji energii, produkcji akumulatorów z węglika krzemu, zmniejszenia rozmiarów oraz utrzymania stabilnego przyspieszania i zwalniania podczas jazdy.

Energetyka słoneczna nie pozostaje w tyle. Rozwijające się gałęzie przemysłu w tej dziedzinie produkują obecnie falowniki słoneczne i akumulatory na bazie węglika krzemu o wysokiej sprawności i modułach mocy. Urządzenia UPS i turbiny wiatrowe wykorzystywane w energetyce odnawialnej wykorzystują węglik krzemu. Węglik krzemu pomaga obniżyć koszty materiałów i rozmiary, jednocześnie zwiększając efektywność tych produktów solarnych. Dzięki zastosowaniu węglika krzemu współczynnik konwersji energii słonecznej sięga obecnie co najmniej 95%. Przy 97,5%, te ulepszone falowniki charakteryzują się zmniejszoną całkowitą stratą energii równą 25%. Można sobie wyobrazić ogromne korzyści, jakie oferuje SiC.

Co więcej, elektronika mocy wykorzystuje również SiC do produkcji bardziej wydajnych i energooszczędnych diod LED. Dzięki mniejszym stratom temperatury i lepszej przewodności elektrycznej, SiC wydłuża żywotność tych diod LED, a nawet zwiększa ich jasność. Przekłada się to na obniżenie kosztów produkcji i poprawę wyników w tej dziedzinie.

Badania wykazały niedawno, że wykorzystanie i zastosowania węglika krzemu we wszystkich tych rozwijających się branżach gwałtownie wzrosły na całym świecie. Przy rosnącym tempie, obecny rynek SiC (zarówno dla półprzewodników, elektroniki mocy, jak i innych zastosowań), wyceniany na $4 mld w 2023 roku, może osiągnąć szczyt na poziomie ponad $10 mld do 2026 roku.

Inwestorzy w nowe źródła energii i ceramikę inwestują w nie w zawrotnym tempie. Dostawcy węglika krzemu są obecnie tak popularni na różnych kontynentach świata ze względu na ogromny potencjał SiC. Nie daj się pominąć, skontaktuj się z nami już teraz. Ceramika GGS Oferujemy najwyższej jakości materiały SiC i spiekane SiC, które idealnie pasują do Twoich zastosowań. Jesteśmy liderem wśród dostawców węglika krzemu i możesz mieć pewność, że otrzymasz od nas to, co najlepsze.

Często zadawane pytania

Do czego stosuje się węglik krzemu?

Oprócz stosowania węglika krzemu w warunkach wymagających dużej wytrzymałości mechanicznej i wysokich naprężeń, większość producentów używa go jako materiału ściernego do produkcji papieru ściernego, narzędzi szlifierskich lub tnących oraz tarcz.

Jakie są surowce wykorzystywane w produkcji węglika krzemu?

Głównymi surowcami stosowanymi w produkcji SiC (w procesie Achesona) są kwarc naftowy (krzem przemysłowy) i koks (węgiel).

Jaka jest temperatura topnienia węglika krzemu?

Węglik krzemu nie ma stałej temperatury topnienia. Zauważysz jednak, że zaczyna sublimować w temperaturze 2730°C.

Wniosek

Teraz z pewnością znasz najlepsze odpowiedzi na pytanie „Do czego służy węglik krzemu?”. Tak więc, jeśli jesteś nowicjuszem lub pracowałeś już w tej branży, wiesz na pewno, że węglik krzemu to najlepsze rozwiązanie. wielowymiarowy materiał ceramiczny Węglik krzemu jest szeroko stosowany w półprzewodnikach, elektronice mocy i wielu innych dziedzinach. Oprócz wysokiej twardości i stabilności termicznej, jego odporność na niebezpieczne substancje chemiczne, wysokie temperatury i zużycie w trudnych warunkach sprawia, że jest to doskonały materiał, na którym może polegać każdy producent. Węglik krzemu w pełni zasługuje na popularność i uznanie, jakie zdobywa obecnie na całym świecie. Bez wątpienia daje on promyk nadziei dla rozwijających się gałęzi przemysłu teraz i w przyszłości!