ИЗУЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЛОЖКИ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ: УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Введение:

Одним из передовых керамических материалов, которые произвели фурор в производственном секторе, является керамика на основе карбида кремния. Мир науки взволнован этим открытием. Это передовой керамический материал, который дал ответы на многие потребности промышленников, особенно в секторе силовой электроники.

Происхождение карбида кремния

Продвинутый полупроводник, известный сегодня как карбид кремния, был случайно открыт в 1891 году Эдом Ачесоном. Он был американским ученым, который хотел предложить альтернативу алмазам. Его намерение было ясным, но результатом его эксперимента стал карбид кремния, что принесло ему популярность, поскольку никто никогда не делал подобного открытия.

Карбид кремния также был обнаружен в природе как минерал в метеорите в 1893 году Муассаном Анри. Это дало ему другое название — муассанит. Благодаря этому открытию и сходству его компонентов со звездной пылью, карбид кремния был назван драгоценным камнем с неба4.

Рис. 1: Кусок метеорита.

Промышленное получение карбида кремния

Керамика из карбида кремния может быть синтетически произведена в коммерческих количествах. Существуют два известных метода синтетического производства карбида кремния. Метод Лели, инициированный Энтони Лели в 1955 году, также известный как технология выращивания кристаллов, и метод химического испарения.

РИС. 2: Ковалентная связь карбида кремния

1. Метод Лели: Это процесс промышленного производства кристаллов карбида кремния для полупроводниковой промышленности. Здесь порошок карбида кремния сублимируется и нагревается в тигле при очень высоких температурах с газом аргоном. После этого кристаллы прилипают к стержню в середине тигля, который находится при более низкой температуре.

2. Химический паровой метод: Это метод, который был принят в металлургической и добывающей промышленности для получения высокочистых продуктов8. Химический паровой метод включает в себя расщепление атомов кремния и углерода в контролируемой среде. Неполное расщепление, возникающее в результате этого метода, производит подложки из карбида кремния, используемые в полупроводниковой промышленности7.

Многомерность карбида кремния как полупроводниковой керамики

Карбид кремния — это вещество, также известное как карборунд. Другие названия, под которыми он известен, — полупроводник карбида кремния, sic, керамика sic и субстрат карбида кремния. Мы часто будем менять местами использование названий при обсуждении различных характеристик этой передовой керамики.

Тем не менее, и какое бы название вы ни выбрали для этого вещества, его основные характеристики остаются теми же. Характеристики керамики sic, которые будут рассмотрены далее, это химические, физические и механические характеристики (свойства).

Химические свойства карбида кремния (Sic): Карбид кремния — это химическое соединение, состоящее из ионов кремния и углерода, которые прочно связаны друг с другом. Прочные связи, которыми обладает эта усовершенствованная керамика, делают ее химически инертной. Ширина запрещенной зоны ее химической структуры велика, что делает ее высокоэффективной в качестве полупроводниковой керамики (sic керамика).

Другими словами, sic не может быть легко разложен другими химическими веществами, особенно кислотами и щелочами. Тетраэдрическая связь атомов кремния и углерода производит субстрат из карбида кремния1. В результате sic имеет требуемый внутренний состав, который хорошо подходит для производственного сектора, особенно в качестве полупроводников.

Он также очень устойчив к солям и щелочам и не растворяется в воде. Вместо этого он растворяется в расплавленном железе, а также в некоторых формах плавиковой кислоты.

С точки зрения электроники собственная плотность носителей заряда керамики SIC очень низкая, что повышает ее пригодность для эксплуатации в условиях высоких температур.

Физические свойства: Они легко отражаются в цвете, форме и текстуре вещества. Карборунд — драгоценный камень, и это отражается в его различных оттенках цветов. Так же, как и алмазы, они высоко ценятся за свой блеск, а цвета оцениваются от 4 до 7. Также важно отметить, что его зеленоватый блеск может заставить кого-то ошибочно принять его за алмаз.

Известный также как Sic cte из-за своих тепловых характеристик, поскольку sic cte определяет его тепловой коэффициент, материалы из карбида кремния считаются проводниками большого количества электричества. Он имеет очень высокую температуру кипения, а также высокую температуру плавления.

Механические свойства карбида кремния: Карбид кремния — очень твердый материал. Фактически, это самое твердое вещество2. Карбид кремния — это признанный твердый материал, уступающий только алмазу. Ковалентность в связях атомов кремния и углерода в карбиде кремния делает его очень твердым8. Керамика Sic считается очень устойчивой к коррозии и ударам.

Керамика Sic имеет большой вес, а также высокую поглощающую способность.

Карборунд и политипия: Керамика Sic кристаллизуется в различных структурах посредством процесса, известного как политипизм2, который производит политипы усовершенствованной керамики. Образование политипов в карбиде кремния объясняется различиями в поверхностных характеристиках как углерода, так и кремния5.

Политипы керамики sic имеют отличительные особенности с точки зрения подвижности, ширины запрещенной зоны и электронных свойств. Они также различаются по укладке своих кристаллов2. Кристаллические характеристики карбида кремния дали начало его форме карборунда, высоко ценимого драгоценного камня.

Подвижность политипов кремниевой керамики проявляется при использовании карбида кремния для разработки акустических материалов.

Рис. 3: Керамические кристаллы Sic

Применение керамики Sic (карбида кремния):

1. Керамика Sic считается одним из лучших современных керамических материалов, используемых для производства баллистического оборудования. К ним относятся защитная одежда для тела, такая как бронежилеты. Большинство бронежилетов используют современные керамические материалы в качестве передового слоя одежды. Это связано со способностью полупроводника отклонять высокоскоростные снаряды, такие как пули9.

2. Sic cte используется в качестве покрытия для технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), применяемой в биомедицинских и биохимических системах10. Электротехнические изделия, полученные с помощью технологии MEM, такие как генераторы и акустические, требуют таких свойств sic cte. Целью выбора sic cte является достижение экономической эффективности в производстве, а также надежности8.

Рис. 4: Полупроводники из карбида кремния в деталях генератора

3. Карбид кремния — это надежный передовой керамический материал, используемый в производстве прочных кирпичей, используемых в строительстве. Кремний, присутствующий в глине, используемой в производстве кирпичей, придает ей передовые керамические свойства. Кирпичи используются в строительстве для достижения прочности, долговечности и хорошей вентиляции в строительных конструкциях11.

Рис. 5: Полупроводник из карбида кремния (кирпичи)

4. Авиационный сектор славится своим акцентом на качестве и долговечности своего оборудования. Это обуславливает использование кремниево-керамического покрытия в материалах, используемых для строительства самолетов. Это гарантирует, что самолеты достаточно прочны, чтобы противостоять силе сильного ветра и судов. Соответствующий вес используемой керамики sic также гарантирует, что самолеты останутся на плаву.

РИС. 6: Детали самолета, изготовленные из керамики SIC

5. Физические и микроструктурные характеристики современных керамических материалов, таких как керамика sic, делают их выбором номер один. Они соответствующим образом применяются в производстве критических компонентов электрооборудования, например, генераторов, а также хирургических инструментов. Их использование в виде тонких пленок обеспечивает долговечность материалов и их устойчивость к износу.

Рис. 7: Использование SIC в электронике.

6. В начале статьи мы упомянули, что карбид кремния также известен как карборунд. Термин карборунд в частности применяется к керамике sic, когда речь идет о ее использовании в ювелирных изделиях. Как хорошая альтернатива алмазам, карборунд очень популярен для изготовления обручальных колец. Он дешевле алмазов, но столь же эффектен!

7. Способность карбида кремния выдерживать высокое электрическое напряжение делает его пригодным для электромобилей и транспортных средств на солнечных батареях. Карбид кремния обладает очень высокой теплопроводностью и способствует рассеиванию тепла между компонентами электромобилей12. Керамика Sic, используемая в зарядных устройствах для электромобилей (EV), повышает эффективность за счет снижения требований к другим компонентным частям12.

8. Керамика Sic полезна для фотокаталитических процессов. Это методы, которые используются для увеличения термодинамических процессов путем использования световой энергии для фотосинтеза. Фотокаталитические процессы помогают уменьшить воздействие на окружающую среду химикатов и токсинов от промышленной деятельности. Таким образом, карбид кремния является полезным инструментом для защиты нашей окружающей среды13.

9. Твердость керамических материалов sic позволяет использовать их в качестве абразивов. Абразивы сами по себе должны обладать прочностью на разрыв, а также долговечностью. Абразивы, такие как керамика sic, используются в различных секторах, таких как строительство и технологические секторы. Примерами абразивов являются наждачная бумага, которая используется для сглаживания более мягких грубых поверхностей14.

РИС. 8: Абразив из карбида кремния — наждачная бумага

10. Карбид кремния также используется для изготовления режущих материалов. Он очень твердый и, как таковой, может противостоять коррозии при резке других объектов. Материалы, покрытые керамикой sic, обладают потенциалом для точности и твердости при использовании для резки твердых материалов. Кроме того, керамика из карбида кремния, используемая для резки, не изнашивается и не подвергается коррозии, несмотря на многократное использование.

Проблемы в использовании карбида кремния включают в себя следующее:

Ø Карбид кремния — очень редкий материал. В результате этого его доступность зависит от коммерческого производства, которое в большинстве случаев приводит к неочищенным формам соединения.

Ø Себестоимость карбида кремния высока, и это отражается в высокой стоимости его закупки для нуждающихся в нем промышленников.

Заключение:

Карбид кремния — очень хорошее открытие, и оно продолжает оказывать влияние на различные формы его использования. Мы надеемся, что появятся дальнейшие технологические достижения, которые позволят разработать более дешевые методы, чтобы сделать его доступным для большего числа промышленников.