для обработки каких материалов используется карбид кремния
Карбид кремния
Цена: от 209,40р с НДС за кг
Минимальная партия: 100 кг
Карбид кремния – свойства и применение
Карбид кремния SiC (или карборунд) – тугоплавкое, химически стойкое, твердое вещество, обладающее полупроводниковыми свойствами. В составе химического соединения примерно 70% кремния Si и около 30% углерода C. В чистом виде карборунд бесцветен, от наличия примесей зависит цвет и тип проводимости кристаллов: p-типа (бериллий, галлий, бор) или n-типа (фосфор, азот).
Карбид кремния редко встречается в природе (муассанит), поэтому в основном он искусственного происхождения. Получают с помощью спекания кремнезема с углеродом в электроплавильных печах с угольными электродами при температурах порядка 1500-2400 градусов.
Кристаллическая решетка – атомная. При низкой плотности (3,2 г/см^3) карбид кремния обладает исключительной твердостью. В этом он уступает только алмазу и боразону (карбиду бора). Температура плавления более 2830 градусов. Карборунд устойчив к окислению, минеральным кислотам, инертен в среде азота, углекислого газа и водорода. Обладает высокой стойкостью к радиационной среде.
Широкое применение карбид кремния получил в электротехнике. Полупроводниковые приборы, изготовленные на его основе, способны сохранять стабильность и надежность работы при температурах до 600 градусов. Это становится возможным благодаря большому значению ширины запрещающей зоны (в среднем 2,39 эВ). Используется также для изготовления радиационных светодиодов, солнечных элементов, нагревателей, терморезисторов, грозоразрядников и электроизолирующих устройств.
В металлургической и сталелитейной промышленности, благодаря таким свойствам, как стойкость к термическому воздействию и высокая химическая стабильность, карборунд используется в качестве огнеупорного материала. С помощью волокон из этого материала можно измерить температуру до 2500К.
Твердость и износостойкость карбида кремния, а также его низкая стоимость, используется в производстве шлифматериалов. Большая режущая способность подходит для обработки таких материалов, как стекло, керамика, резина, чугун, камень, титан и различные полимеры. Высокая теплопроводность делает его прекрасным материалом для создания подшипников. На защите вооружения применяется в качестве композитной брони военной техники и противопульных жилетов. По внешнему виду муассанит похож на алмаз и в ювелирном деле используется, как его заменитель.
Диски из композитного материала на основе карборунда применяются на спортивных автомобилях. Карбид кремния нашел свое место и в астрономической оптике.
Будущее карбида кремния довольно оптимистично. Дешевизна материала, его уникальные электрофизические характеристики и развитие нанотехнологий открывают широкую перспективу для его использования.
© 2010 Снабжение предприятий. Все права защищены.
Обращаем внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях информационные материалы и цены, размещенные на сайте, не являются публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса РФ.
Карбид кремния: свойства, описание, применение
Карбид кремния (карборунд, SiC) – синтетический материал, соответствующий по составу и свойствам минералу муассанит. Является неорганическим бинарным соединением кремния с углеродом.
Представляет собой бесцветные кристаллы с бриллиантовым блеском в чистом виде, в форме технического продукта может приобретать различную окраску – зеленую, черную, желтую или серую (из-за примесей железа). Внешне напоминает уголь антрацит, но, в отличие от него, переливается всеми цветами радуги.
Природный минерал муассанит содержится в очень малых количествах в месторождениях кимберлита и корунда, а также в некоторых типах метеоритов. Впервые он был обнаружен в 1893 году А. Муассаном, в честь которого впоследствии был назван. Муассанит широко распространен в космосе в пылевых облаках вокруг звезд, богатых углеродом.
Получение карборундовых кристаллов
Из-за незначительного нахождения в природе материал чаще всего получают синтетическим путем. Впервые он был получен в виде порошка и начал производиться Э.Г. Ачесоном в промышленных масштабах также в 1893 году.
Э.Г. Ачесон запатентовал метод получения порошкообразного SiC и разработал электрическую графитовую печь для его синтезирования. Это был очень простой способ, подразумевающий спекание углерода с кремнеземом при температурах 1600-2500°C. Чистота полученного карборунда зависела от расстояния до графитового резистора в ТЭНе. Материал производила компания The Carborundum Company, и сначала он применялся только в качестве абразива.
Сейчас чистый карбид кремния (silicon carbide/karbid) также может быть синтезирован методом термического разложения полиметилсилана, при низких температурах в атмосфере инертного газа. Такой способ более удобен, так как из полимера перед запеканием в керамику можно сформировать изделие любой формы.
Свойства
Карборунд обладает уникальными характеристиками: он очень твердый и уступает по степени прочности только алмазу. Является инертным материалом – не реагирует с кислотами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной) и другими веществами.
Может подвергаться нагреванию до 1500°С на открытом воздухе, не плавится при любом давлении, но способен сублимировать при t выше 1700°С. Такая термическая устойчивость обусловила другую сферу применения материала – он начал использоваться для изготовления подшипников и элементов оборудования для высокотемпературных печей.
Карбид кремния отличается также высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, за счет чего вызывает значительный интерес в качестве полупроводника в электронике. Он обладает очень малым коэффициентом теплового расширения и не испытывает фазовых переходов, способных привести к разрушению монокристаллов.
Кроме того, за счет сильных химических связей материал имеет высокую радиационную и химическую стойкость, механическую прочность и твердость, а также термическую стабильность физических свойств. Благодаря уникальным характеристикам карборунд получил широкую сферу использования.
Применение
Карбид кремния используется в качестве абразивного материала для хонингования, шлифования, пескоструйной обработки и водоструйной резки. С его помощью производят детали металлургической и химической аппаратуры, функционирующей при высоких температурах.
Кроме того, материал применяется:
Карборунд относится к 4-му классу опасности по степени воздействия на организм человека. При работе с ним необходимо использовать защитные средства (очки, резиновые перчатки, маску).
Карбид кремния
Карбид кремния.
Карбид кремния – бинарное неорганическое соединение кремния с углеродом (SiC), бесцветный кристалл. Отличается высокой твердостью, термостойкостью, химической и радиационной стойкостью.
Карбид кремния:
В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала – муассанита.
Свойства карбида кремния:
– отличается высокой твердостью (9—9,5 по шкале Мооса, алмаз имеет 10 по шкале Мооса),
– является весьма инертным химическим веществом: практически не взаимодействует с большинством кислот, кроме концентрированных плавиковой, азотной и ортофосфорной кислот,
– обладает высокой термостойкостью, химической и радиационной стойкостью,
– является полупроводником. Тип проводимости карбида кремния зависит от примесей,
– прозрачен. Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от бесцветного до коричневого, зеленого или черного цвета связаны с примесями.
Применение карбида кремния:
– как абразивный материал для обработки поверхности изделий,
– как материал для кислотоустойчивых изделий,
– как полупроводник, электронные компоненты,
– вставка для имитации алмаза в ювелирных украшениях,
– в строительстве в качестве фибры в фибробетоне (аналогично базальтовому волокну),
– в производстве графена в больших масштабах для практических применений,
– в производстве стали в качестве топлива в конверторном производстве,
– пирометрия,
– астрономия и точная оптика,
– электроника и электротехника (варисторы, вентильные разрядники),
– автомотодетали (дисковые тормоза),
– конструкционные материалы (торцевые механические уплотнения).
Инновации на основе применения карбида кремния:
Примечание: © Фото https://www.pexels.com
Электроника на карбиде кремния: мощнее, быстрее, надежнее
На протяжении развития силовой электроники неоднократно менялся полупроводниковый материал, из которого изготавливались приборы. Селен, германий, кремний… Теперь этот список дополнил такой материал, как карбид кремния, и ему прочат большое будущее. О том, чем карбид кремния хорош именно для электроэнергетики и какие революционные изменения несет его внедрение, пойдет речь в этой статье.
Для переключения электрического тока вместо механических реле все чаще применяются полупроводниковые приборы. Наиболее распространенный вариант — так называемые МОП-транзисторы (аббревиатура расшифровывается как «металл-окисел-полупроводник», в зарубежной литературе применяется термин MOSFET).
Конструкция МОП-транзистора с n-каналом
Если очень упрощенно представить конструкцию МОП-транзистора, то она представляет собой полупроводниковую пластину, в которой сделан проводящий канал, расположенный между изолированным электродом — так называемым затвором — и подложкой. На концах канала располагаются электроды, именуемые истоком и стоком. Обычно подложка и исток электрически соединены. В зависимости от напряжения между затвором и подложкой транзистор либо открыт, либо закрыт. В открытом состоянии поток электронов идет через канал от истока к стоку или в обратном направлении, в зависимости от типа канала (описание регулировки этого процесса подачей напряжения на затвор слишком сложен и выходит за рамки данной статьи). В закрытом состоянии электроны между указанными электродами двигаться не должны. Но из-за конечного сопротивления полупроводникового кристалла в закрытом состоянии наблюдается небольшой ток утечки.
Наличие тока утечки — основной недостаток электронного переключателя по сравнению с механическими контактами реле. Когда контакты реле разомкнуты, ток через них практически равен нулю. Если речь идет о напряжениях порядка сотен и тем более тысяч вольт, токи утечки представляют уже серьезную проблему. Помимо нерационального расходования электроэнергии, они приводят к сильному нагреву коммутирующего прибора, что может привести к его выходу из строя.
Обнаружить карборунд в природе — большая редкость, обычно SiC производят путем синтеза
Наиболее массовым материалом для построения силовой электроники сейчас является кремний. При этом наметилась тенденция внедрения МОП-транзисторов, изготовленных уже не из кремния, а из карбида кремния (SiC). Такие транзисторы имеют намного меньшие токи утечки, чем кремниевые, и многие параметры, критичные для силовой электроники, у них находятся на более высоком уровне.
Физика процессов
Энергетические уровни электронов в полупроводниках и диэлектриках могут находиться в одной из двух зон — валентной или проводимости. Между этими зонами находится так называемая запрещенная зона, в которой энергетические уровни электронов присутствовать не могут. Разница между диэлектриками и полупроводниками заключается только в ширине запрещенной зоны. Принято считать, что у полупроводников она меньше 5,5 эВ.
При температуре, близкой к абсолютному нулю, все электроны располагаются в валентной зоне, материал не проводит электричество. По мере нагревания энергетические уровни части электронов переходят в зону проводимости. Чем выше температура, тем больше электронов переходит на эти уровни, соответственно, сопротивление полупроводника падает, а ток утечки растет. Если не обеспечить эффективный теплоотвод, может начаться процесс, когда, разогрев кристалла влечет за собой увеличение тока утечки, что приводит к еще большему разогреву и т. д. вплоть до выхода прибора из строя.
Чем шире запрещенная зона полупроводника, тем меньше вероятность перехода электронов из зоны валентности в зону проводимости. Соответственно, для снижения тока утечки нужно применять полупроводники с как можно более широкой запрещенной зоной. Силовая электроника постепенно движется в этом направлении. От силовых приборов на основе германия быстро отказались, т. к. материал имел ширину запрещенной зоны око-ло 0,7 эВ. Кремний в этом смысле лучше подошел для силовой электроники, поскольку у него ширина запрещенной зоны составляет 1,12 эВ. Карбид кремния, в зависимости от типа кристаллической решетки, может иметь ширину запрещенной зоны от 2,2 до 3,3 эВ, что позволяет обеспечить на порядок более высокое сопротивление исток-сток в закрытом состоянии. Если кремний выдерживает температуры до +125 °C, то карбид кремния — теоретически до +600 °C (на практике до +200 °C, больше просто корпуса не выдерживают).
Особенностью карбида кремния также является многообразие форм кристаллической решетки, для электроники на практике пока применяются только варианты 4H и 6H. Карбид кремния обладает в три раза большей теплопроводностью по сравнению с кремнием. Это обеспечивает лучший отвод тепла от кристалла.
Технологические проблемы
Человечество использует карбид кремния вот уже больше века, но… как материал для изготовления шлифовальных инструментов. В шлифовальных дисках часто используется карборунд — синтетический материал, содержащий около 93 % SiC.
Из-за того, что карбид кремния представляет собой очень прочный материал, сопоставимый по этому параметру с алмазом, его сложно обрабатывать. Другой проблемой была очистка от примесей. Да, карборунд производится в больших количествах и стоит недорого, но попытки наладить выпуск более чистого карбида кремния сталкивались с проблемами. В итоге массовое производство приемлемых по цене мощных МОП-транзисторов из карбида кремния было налажено только в 2010-х годах.
Недостатком большинства SiC-транзисторов является сложность конструкции драйвера для их управления
Еще одной проблемой, характерной для карбида кремния, является сложность управления изготовленными из него транзисторами. Кремниевый МОП-транзистор открывается при подаче на затвор напряжения от 1 до 4 В относительно истока, в зависимости от модели. Если на затворе 0 В, то такой транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Применение в инверторах
Меньшее удельное напряжение электрического пробоя у SiC по сравнению с кремнием позволяет уменьшить размеры транзистора. В свою очередь, это позволяет увеличить его быстродействие. Так-же более высокое быстродействие транзисторов на карбиде кремния обусловлено тем, что они в процессе работы не входят в режим насыщения.
На транспорте с электрической тягой, в альтернативной энергетике, источниках бесперебойного питания и т. п. часто применяются инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный. Наиболее громоздкие элементы инверторов — дроссели, трансформаторы и конденсаторы. Чем выше рабочая частота инвертора, тем компактнее эти элементы. Инвертор на кремниевых транзисторах имеет рабочую частоту не более 50 кГц, транзисторы на карбиде кремния позволяют создавать мощные инверторы с рабочей частотой до 150 кГц. Более низкие токи утечки определяют меньший нагрев SiC-транзисторов, а это значит, что систему теплоотвода можно сделать компактной.
Впервые на электротранспорте SiC-инвертор на транзисторах STMicroelectronics был применен в электромобиле Tesla Model 3, представленном в 2016 г. Применение инновационных транзисторов позволило повысить КПД электрооборудования, что увеличило дальность пробега от одной зарядки.
Уменьшение размеров электрооборудования особенно актуально для электробусов. Компактное электрооборудование на карбиде кремния позволяет создавать электробусы, имеющие практически такую же вместимость как их дизельные аналоги с теми же внешними габаритами.
SiC для цифровой энергетики
Современные транзисторы на карбиде кремния при комнатной температуре имеют сопротивление в закрытом состоянии до 350 МОм против 15 МОм у кремниевых аналогов, а максимальное напряжение между истоком и стоком может достигать 15 кВ. Это позволяет применять такие транзисторы для коммутации в средневольтных распределительных сетях постоянного тока. Именно такие сети будут характерны для «зеленой» энергетики будущего, как ожидается, они образуют так называемый «энергетический Интернет». В подобной распределительной сети обмен электроэнергии будет осуществляться так же свободно, как сейчас мы обмениваемся информацией через интернет. Этот проект продвигается на государственном уровне в Китае. Высокая скорость коммутации, характерная для SiC, позволит оперативно перераспределять потоки энергии от множества небольших генераторов.
Пример транзистора на карбиде кремния, способного выдерживать напряжение до 1200 В, но при этом выполненного в компактном корпусе
Более «приземленный» проект — создание инвертора, позволяющего напрямую преобразовывать постоянный ток от солнечной электростанции в переменный ток с напряжением 10 кВ. В результате появляется возможность подключения электростанции к распределительной сети без использования громоздких трансформаторов.
Уже сейчас SiC-транзисторы применяются в системах управления вращением ветряков. Благодаря таким системам генераторы ветряков можно подключать к сети переменного тока напрямую, минуя преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Выбор в пользу карбида кремния был сделан из-за исключительной надежности приборов на его основе.
Выводы
Перспективность технологии SiC наиболее ярко демонстрирует пример компании Cree. Некогда она была ведущим мировым производителем светодиодов, но в 2020 г. продала светодиодное подразделение, а вырученные в результате этого средства вложила в расширение выпуска электроники на основе карбида кремния под брендом Wolfspeed. И это при том, что еще в 2000-х годах Cree была первопроходцем в производстве силовых приборов на нитриде галлия — другом полупроводнике с широкой запрещенной зоной.
Тем не менее повсеместное распространение МОП-транзисторов на карбиде кремния, по мнению автора статьи, будет зависеть от решения задачи упрощения управления. На момент написания статьи никакие компании, кроме UnitedSiC, не представили моделей SiC-транзисторов, запирающихся нулевым, а не отрицательным напряжением. Тем не менее в любом случае у SiC есть применения, где большая выгода от их использования позволяет мириться с более сложной системой управления.
Источник: Алексей Дубневский, журнал «Электротехнический рынок» № 4-5, 2021 год
Для обработки каких материалов используется карбид кремния
Карбид кремния – достаточно дешёвый материал. Связано это с тем, что он очень твёрдый и активно используется для создания, к примеру, наждачной бумаги. Также из него делают лещадки, нагреватели (до 1400С!) и много другое.
В виде порошка этот материал для керамиста может быть интересен тем, что с его помощью можно получить «пенные» глазури. А также получить в обжиге металлическую медь без сования горшка в опилки. Даже классические «селадоновые» глазури – это может быть интересно настоящим эстетам.
В этой статье мы расскажем про карбид кремния 80мкм и 20мкм.
102 М В
102 глазурь на 1220 обладает высокой потёчностью, мелкий карбид кремния почти полностью сгорает, оставляя только пару крупных, острых пузырей. Наверняка, увеличив выдержку, можно добиться гладкой поверхности.
128 М В
«Средняя» потёчность также позволяет на 1220 сгореть почти всему карбиду, оставляя большую часть оставшихся пузырьков внутри.
145 М В
Почти непотёчная 145 оставляет серый карбид кремния почти невыгоревшим, а все пузырьки «задерживает» в себе. Неплохой вариант для получения аналога 205-99 на 1200. Нужно только как-нибудь заглушить остающуюся серость. К примеру, микронным цирконом.
102 К В
В потёчной 102ой на 1220 даже крупный карбид кремния сгорает практически полностью. Отличий от мелкого почти не видно. Очевидно, на изделии разница будет.
128 К В
Благодаря более крупным пузырькам, подложкап лучше видна за счёт меньшего рассеяния света. К сожалению, на фото не видно – поверхность более неоднородная и с большим числом небольших кратеров.
145 К В
Пена от крупного гранулята в 145ой выглядит более неаккуратно, глазурь получилась менее «пушистая».
1046 М Н
1046 – щелочной флюс, который можно воспринимать как очень потёчную кракле-глазурь. На 1070 Она ведёт себя аналогично 102ой на 1220, разницы практически нет.
102 М Н
102 на 1070 с мелким гранулятом даёт самый необычный эффект – очевидно, сначала глазурь «поднялась», потом местами образовались кратеры, а потом она в таком виде и застыла. Истинно-вулканическая глазурь! К сожалению, контролировать такие эффекты достаточно сложно, поэтому такой глазури пока что нет в продаже.
106 М Н
106 оказалась слишком непотёчной, не дав пузырькам «поднять» глазурь – газ, похоже, выходил только через некоторые каналы, которые хорошо видно на картинке.
1046 К Н
Аналогично другим случаям с очень потёчными глазурями – особой разницы не видно.
102 К Н
С крупным карбидом 102 на 1070 сразу даёт крупные пузыри, давая меньше объёма из-за меньшего количества мелкой пены.
106 К Н
106 с крупным карбидом кремния даёт более однородную поверхность, что скорее всего связано с тем, что пузыри газа почти сразу поднимаются к поверхности, в случае же с мелким – хаотично объединяются из мелких в крупные, давая больше неоднородностей.
102 М В
Очень «сильный» результат. Медь образовалась по всему объёму глазури, не успела осесть (что даёт немного мусорный вид и цвет близкий к коричневому). Местами окислилась, не растворившись, что дало чёрные прожилки, местами – растворившись (зелёное около пузырька). Немного пузырьков скорее портят картину, поэтому, вероятно, стоило бы просто немного увеличить выдержку – например, до 30-40 минут. Или поднять температуру на 10-20 градусов.
128 М В
Как ни странно, в менее потёчной 128 медь окислилась после восстановления сильнее, пузырей на поверхности больше. Скорее всего, образец стоял ближе всего к спиралям, так как такое поведение характерно для более, а не менее потёчных глазурей. Значительная часть меди осела на дно, давая очень красивые узоры, подчёркивающие рельеф. Остальная – почти полностью растворилась, давая типичный прозрачный зелёно-бирюзовый оттенок. Проблему пузырей, в теории, можно решить, сделав выдержку на 200 градусов ниже «рабочей» температуры минут на 20. Однако заранее сложно сказать, как это повлияет на медь.
102 К В
102 с крупным карбидом получилась «серо-буро-малиновой в пупырку». Все возможные эффекты от карбида и от меди, всех поровну.
128 К В
128 – аналогично, но поверхность – чуть более гладкая, цвет – чуть более насыщенный. Скорее всего, снизу – больше меди, сверху – больше растворённого оксида меди.
145 К В
Разбивание этого пробника показало, что медь не в виде металла не только у поверхности, но и по всему объёму. Скорее всего, медь в пене окисляется гораздо лучше, чем прикрытая слоем пусть и более потёчной, но и более монолитной глазури.
1046 М Н
Отдалённо напоминает «медные трубы» (мы делаем их не через карбид кремния). Остатки нерастворённого оксида меди в толще глазури, в остальных местах – типичная 1046 с медью. Что интересно – пузырей практически нет, в отличие от образца без меди. Оксид или карбонат меди – источник дополнительного кислорода, доступного для карбида кремния в глазури, что заставляет его сгореть и закончить газить раньше, а значит и поверхность будет более гладкой. Хотя в этом случае всё произошло слишком рано – и меди в виде металла почти не осталось.
102 М Н
Настоящий шедевр для редких ценителей кислоты, докипающей в ржавом котле. Большая часть меди осталась в виде металла, только некоторые области, где осталось больше всего пор, окислились «обратно». Это (и образец со 145) говорит о том, что медь продолжает окисляться тогда, когда глазурь уже практически твёрдая. Верно и обратное – профессионалы раку обжигов не дадут соврать.
106 М Н
Более пенный, более пористый, а значит (как мы выяснили выше) – более окисленный результат по сравнению с предыдущим образцом.
1046 К Н
Более крупный карбид крения медленнее выгорает, в данном случае это позволило остаться большему количеству меди. И пузырей.
102 К Н
Более крупный карбид кремния в менее потёчной глазури даёт больше пор, в результате медь всё-таки сгорает, оставаясь только в углублениях.
106 К Н
Самый загадочный результат – медь выгорела только на поверхности, внутри – малиновый оттенок. В среднем, пористость выше, чем для образца с мелким карбидом кремния. Похоже, что мелкий карбид кремния сгорел до начала остывания, этот – после, сохранив ценную сердцевину.
Теоретически, при помощи карбида кремния можно восстановливать никель до металла, трёхвалентное железо до двухвалентного, ванадий (5) до ванадия (4), стабилизировать церий (3) и тд. К примеру, на замечательном сайте glazy.org по запросу «seladon» можно найти неплохой пример получения настоящих селадоновых глазурей именно через восстановление карбидом кремния:
Главная особенность карбида кремния, усложняющая работу с ним – как обожжёшь, так и получится. Толщина слоя, выдержка, ставка, герметичность печи, температура. Наверное, фарфористы легко подружатся с ним.
Автор: Виктор Акинфиев.
1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>