Carboneto de silício revelado: propriedades, métodos e aplicações

Este artigo explora as qualidades únicas do SIC, incluindo sua estrutura, resistência ao calor, estabilidade química e resistência mecânica, o que a torna melhor do que os materiais tradicionais como silício, nitreto de gálio e germânio.Ele também analisa diferentes maneiras pelas quais o SiC é produzido, como o processo Acheson, a deposição de vapor químico e o processo de Lely modificado e como esses métodos melhoram sua pureza e desempenho para fins industriais.O artigo também compara as propriedades elétricas, térmicas e mecânicas da SIC com outros semicondutores, destacando seu crescente uso em mercados que precisam de alta densidade de potência, eficiência térmica e durabilidade.

Catálogo

Figura 1: Um close da mão de uma mulher segurando um cristal de carboneto de silício (sic) (também conhecido como carborundo ou moissanita)

Propriedades de carboneto de silício (sic)

Figura 2: Carboneto de silício na placa de Petri

A forma mais comum de carboneto de silício é o carboneto alfa de silício (α-SIC).Ele se forma a temperaturas acima de 1.700 ° C e possui uma forma de cristal hexagonal como wurtzita.Quando a temperatura está abaixo de 1.700 ° C, o carboneto de silício beta (β-SIC) é produzido.Esta versão tem uma estrutura cristalina semelhante à de um diamante.

Figura 3: Carboneto de silício alfa (α-SIC)

Figura 4: Carboneto de silício beta (β-SIC)

Figura 5: A escala de dureza Mohs

O carboneto de silício é um dos materiais mais difíceis após o diamante, com uma dureza Mohs de cerca de 9 a 9,5. Sua dureza do Knoop pode variar com base em sua forma e pureza, mas geralmente é muito alta, geralmente entre 2.480 e 3.000 kg/mm².

O carboneto de silício pode suportar uma pressão muito alta, geralmente acima de 3.000 MPa, tem uma força de flexão alta, geralmente entre 400 e 500 MPa, e tem uma boa força de tração, entre 250 e 410 MPa.

Dureza Métodos de teste	Teste Intervalo de valor	Específico Valores (carboneto de silício preto)	Específico Valores (carboneto de silício verde)
Dureza de Brinell	2400-2800 Hbs	2400-2600 Hbs	2600-2800 Hbs
Vickers dureza	2800-3400 HV	2800-3200 HV	3100-3400 hv
Dureza Rockwell	-	83-87 HRA	87-92 HRA
Dureza mohs	9-9.5	9.2-9.3	9.4-9.5

Sic conduz bem o calor, com um térmico condutividade de cerca de 120 w/mk, tornando -o ótimo para Gerenciando calor em eletrônicos.A 20 ° C, ele conduz calor a cerca de 0,41 watts por centoímetro por grau Celsius (W/cm ° C).Mas quando a temperatura sobe para 1000 ° C, sua condução de calor cai para cerca de 0,21 W/cm ° C.

Além disso, o carboneto de silício (SiC) é rapidamente afetado pela maioria dos metais, o óxido de metal derrete e a alcalina derrete, mas não se dissolve em ácidos ou bases.As impurezas no carboneto técnico de silício geralmente incluem carbono livre (C) e dióxido de silício (SiO2), com pequenas quantidades de silício (SI), ferro (Fe), alumínio (Al) e cálcio (CA).O peso molecular do SiC é 40.096.O SiC puro é feito de 70,05% de silício (SI) e 29,95% de carbono (C).

Figura 6: Estrutura química de carboneto de silício (sic)

Figura 7: Estrutura química de carboneto de silício (sic)

Propriedades do N-Type e P-Type Silicon Carbide (SIC)

Carboneto de silício do tipo n (sic)

O carboneto de silício (sic) é um material difícil usado em aplicações de alto estresse, pois lida com o aquecimento bem e é muito forte.Para fazer sic do tipo n, são adicionadas impurezas, um processo chamado Doping, que altera suas propriedades elétricas.Elementos como nitrogênio ou fósforo, que têm mais elétrons de valência que o silício, são adicionados para aumentar o número de elétrons livres na estrutura SiC.Isso cria um material negativamente carregado ou "n-tipo".

Esses elétrons livres melhoram bastante a condutividade elétrica do SiC.No sic do tipo n, os elétrons podem se mover mais facilmente em comparação com o SiC puro, onde seu movimento é limitado.Esse melhor movimento de elétrons torna o N-TYPE SIC ideal para eletrônicos de potência e dispositivos de alta frequência, onde fluxo de elétrons rápido e eficiente.Embora o N-Type SiC tenha melhor condutividade, ele não conduz eletricidade e metais, mantendo suas propriedades semi-condutas.Esse equilíbrio permite o controle preciso do fluxo de elétrons em vários dispositivos eletrônicos.

Carboneto de silício do tipo P (sic)

O carboneto de silício do tipo P (SIC) funciona de maneira diferente de sua versão do tipo n.O doping do tipo P envolve adicionar elementos como boro ou alumínio, que têm menos elétrons de valência que o silício.Isso cria "orifícios" ou espaços onde estão faltando elétrons, dando ao material uma carga positiva e tornando-o "tipo p".Esses orifícios ajudam a transportar corrente elétrica, permitindo que cargas positivas se movam.

Por que o carboneto de silício (sic) preferiu?

Figura 8: Materiais semicondutores

A tabela abaixo fornece uma comparação detalhada de quatro materiais semicondutores: silício (SI), nitreto de gálio (GaN), germânio (GE) e carboneto de silício (sic).A comparação é organizada em diferentes categorias.

Aspecto	Silício (Si)	Gálio Nitreto (GaN)	Germânio (GE)	Silício Carboneto (sic)
Propriedades elétricas	Processos maduros, bandGAP de 1,1 eV, limitado em alta potência/frequência	Alta mobilidade de elétrons, 3,4 eV bandGap, Aplicações de alta potência/frequência	Alta mobilidade eletrônica, 0,66 eV bandGap, alta vazamento	Ampla banda de 3,2 eV, eficiente em alta tensões/temperaturas, baixo vazamento
Propriedades térmicas	Condutividade térmica moderada, pode limitar Usos de alta potência	Melhor que o silício, mas requer avançado resfriamento	Menor condutividade térmica do que silício	Alta condutividade térmica, calor efetivo dissipação
Propriedades mecânicas	Frágil, suficiente para a maioria dos usos	Quebradiço, propenso a rachaduras em incompatíveis substratos	Mais quebradiço que o silício	Hard, forte, adequado para alta durabilidade Aplicações
Adoção de mercado	Dominante devido à infraestrutura estabelecida e baixo custo	Popular em telecomunicações e defesa, limitado por alto custo	Limitado devido a propriedades menos favoráveis	Alta densidade de potência, operação de alta temperatura, eficiência, durabilidade, redução contínua de custos

Fazendo carboneto de silício (sic)

Para fazer carboneto de silício, você geralmente aquece areia de sílica e coisas ricas em carbono, como carvão a quase 2500 graus Celsius.Isso oferece carboneto de silício mais escuro com algumas impurezas de ferro e carbono.O carboneto de silício pode ser sintetizado através de quatro métodos principais, cada um com benefícios distintos adaptados para usos específicos.Esses métodos incluem:

Carboneto de silício ligado à reação (RBSC)

O carboneto de silício ligado à reação (RBSC) é feito de uma mistura finamente mista de carboneto de silício e carbono.A mistura é aquecida a uma alta temperatura e exposta a silício de líquido ou vapor.O silício e o carbono reagem para formar mais carboneto de silício, e o silício preenche todos os poros restantes.Como o nitreto de silício ligado à reação (RBSN), a RBSC muda muito pouco durante a sinterização.Quando esses produtos chegam ao ponto de fusão do silício, eles permanecem quase tão fortes quanto antes.O RBSC é popular na indústria de cerâmica porque é econômico e pode ser moldado em designs complexos.

Figura 9: Carboneto de silício ligado à reação

Procedimento de carboneto de silício ligado à reação (RBSC):

Combine partículas grossas de carboneto de silício com silício e plastificantes.Misture até que uma mistura uniforme seja alcançada;

Machine a mistura nas formas e formas desejadas.Garanta a precisão na geometria para corresponder às especificações finais;

Coloque as peças moldadas em um forno de alta temperatura.Aqueça a uma temperatura que causa uma reação entre as partículas de silício e carboneto de silício;

O silício reage com o carboneto de silício, ligando -se à matriz e crescente força e durabilidade;

Permita que as peças esfriem gradualmente até a temperatura ambiente;

Polgo as peças resfriadas para atender às especificações exatas e aprimorar o acabamento da superfície.

Processo de Lely modificado

Figura 10: Processo de Lely modificado

Criado em 1978 por Tairov e Tsvetkov, o método também é chamado de método modificado.O processo LELY modificado melhora a síntese de cristais de carboneto de silício.Envolve o aquecimento e o resfriamento de um pó SiC em um recipiente semi-fechado, permitindo que ele forme cristais em uma semente que é mantida a uma temperatura um pouco mais fria.

Procedimento de Processo Lely Modificado:

Misture minuciosamente o silício e os pós de carbono.Coloque a mistura em um cadinho de grafite;

Coloque o cadinho em um forno.Aquecer a aproximadamente 2000 ° C em um ambiente de vácuo ou gasolina inerte para prevenir a oxidação;

A mistura de carboneto de silício sublima, mudando de um sólido para um gás.

Os vapores de carboneto de silício depositam em uma haste de grafite posicionada centralmente.Cristais únicos de alta pureza se formam na haste.

Resfrie cuidadosamente o sistema até a temperatura ambiente.

Extraia os cristais de carboneto de silício de alta pureza da haste de grafite para uso em aplicações de alta tecnologia.

Deposição de vapor químico (CVD)

Figura 11: Deposição de vapor químico (CVD)

Um composto reativo de silano, hidrogênio e nitrogênio foram utilizados em um método de deposição de vapor químico (DCV) para produzir carboneto de silício (SIC) a temperaturas entre 1073 e 1473 k., alterando as configurações de reação química, a composição e a dureza do depósito podemser controlado.No processo de CVD para carboneto de silício, o hidrogênio e a metiltriclorossilano quebrada (MTs) são misturados em uma superfície a alta temperatura e baixa pressão para criar uma camada controlada de carboneto denso de silício.

Procedimento de deposição de vapor químico (CVD):

Prepare o tetracloreto de silício (Sicl4) e o metano (CH4) como fontes químicas primárias;

Coloque o tetracloreto de silício e o metano em um reator de alta temperatura;

Aqueça o reator à temperatura necessária para iniciar reações químicas;

O ambiente de alta temperatura causa reações entre tetracloreto de silício e metano.Essas reações formam carboneto de silício (sic);

O carboneto de silício forma e deposita os substratos desejados dentro do reator;

Deixe o reator e seu conteúdo esfriar gradualmente;

Extraia os substratos ou componentes revestidos.Realize quaisquer processos de acabamento para atender às especificações finais.

O processo Acheson

Figura 12: O processo Acheson

A maneira mais comum de fazer o SIC é o método Acheson.Edward Goodrich Acheson criou esse processo em 1893 para produzir SiC e grafite.Muitas plantas de carboneto de silício usam esse método desde então.

O procedimento do processo Acheson:

Misture bem a areia de sílica com a Coca -Cola;

Organize a mistura em torno de uma haste de grafite central em um forno de resistência elétrica;

Aqueça o forno a quase 2500 ° C.Mantenha a temperatura para acionar a reação química;

O calor intenso faz com que a sílica e o carbono reajam, formando carboneto de silício;

Deixe o forno esfriar gradualmente;

Extraia o carboneto formado de silício do forno;

Processe ainda mais o carboneto de silício sempre que necessário.

Esta tabela fornece uma comparação simplificada de quatro métodos usados ​​para produzir carboneto de silício (SIC).O objetivo é ajudar a entender as vantagens únicas e os melhores usos de cada técnica de produção.

Método	Vantagens	Melhor Usos
Carboneto de silício ligado à reação (RBSC)	Faz peças fortes e duráveis Bom para formas complexas Pouca deformação	Bocais de revestimento de armadura, de alto desempenho
Processo de Lely modificado	Cristais muito puros Estrutura perfeita Melhor controle sobre o processo	Semicondutores, computação quântica
Deposição de vapor químico (CVD)	Mesmo composição Alta pureza Pode usar materiais diferentes	Revestimentos resistentes ao desgaste, resistentes à corrosão Revestimentos, indústria de semicondutores
O processo Acheson	Simples e baixo custo Pode produzir grandes quantidades Cristais consistentes e de alta qualidade	Abrasivos, materiais refratários

Carboneto de silício (sic) em aplicações modernas

Na indústria automotiva, especialmente para veículos elétricos, o SIC melhora o desempenho do inversor e torna os sistemas de gerenciamento de baterias menores, estendendo a faixa de veículos e custos de corte.O Goldman Sachs estima que essas melhorias podem economizar cerca de US $ 2.000 por veículo.

Figura 13: Freio de disco de carboneto de silício

Na energia solar, o SiC aumenta a eficiência do inversor, permitindo maiores velocidades de comutação, o que reduz o tamanho e os custos do circuito.Sua durabilidade e desempenho estável o tornam melhor do que materiais como nitreto de gálio para aplicações solares.

Figura 14: SIC para sistemas de energia solar

Nas telecomunicações, o SIC Excelente gerenciamento térmico permite que os dispositivos lidem com densidades de potência mais altas, melhorando o desempenho nas estações de base celular e suportando o lançamento de 5G.Esses avanços atendem à necessidade de melhor desempenho e eficiência energética nas comunicações sem fio de próxima geração.

Figura 15: carboneto de silício semicondutor de terceira geração

Em ambientes industriais, o SIC suporta ambientes severos e altas tensões, permitindo projetos simplificados com menos resfriamento, maior eficiência e custos mais baixos, aumentando o desempenho do sistema.

Figura 16: Fazendo aço com carboneto de silício

Em defesa e aeroespacial, o SIC é usado em sistemas de radar, veículos espaciais e eletrônicos de aeronaves.Os componentes do SIC são mais leves e mais eficientes que o silício, as melhores para missões espaciais onde reduzir custos com redução de peso.

Figura 17: Produção e aplicações de ponta a ponta

Conclusão

O carboneto de silício (SIC) está se tornando o material preferido para muitas aplicações de alta demanda devido às suas excelentes propriedades e técnicas de produção aprimoradas.Com seu largo de banda amplo, ótima condutividade térmica e fortes propriedades mecânicas, o SiC é ideal para ambientes difíceis que precisam de alta resistência ao calor e ao calor.A visão detalhada do artigo sobre os métodos de produção da SIC mostra como os avanços na ciência do material permitem a personalização das propriedades do SIC para atender às necessidades industriais específicas.À medida que as indústrias avançam em direção a dispositivos mais eficientes e compactos, o SIC desempenha um papel nas tecnologias automotivas, de energia solar, telecomunicações e aeroespaciais.A pesquisa em andamento para reduzir custos e melhorar a qualidade do SIC deve aumentar sua presença no mercado, reforçando seu importante papel no futuro dos materiais semicondutores e aplicações de alto desempenho.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Quem usa carboneto de silício?

O carboneto de silício é usado por indústrias e profissionais que trabalham em eletrônicos, automotivo, aeroespacial e fabricação.Engenheiros e técnicos confiam nele para sua durabilidade e eficiência em ambientes de alto estresse.

2. Para que é o semicondutor de carboneto de silício usado?

Os semicondutores de carboneto de silício são usados ​​para aplicações de alta e alta temperatura.É usado em dispositivos de energia para veículos elétricos para gerenciar a energia com eficiência e em diodos e transistores encontrados em tecnologias de energia renovável e aplicações de alta potência, como sistemas ferroviários.

3. Qual é a aplicação do Silicon Carbide Sic?

As aplicações do carboneto de silício (sic) incluem:

Eletrônica de potência: conversão e gerenciamento eficientes de energia.

Veículos elétricos: desempenho e alcance aprimorados.

Inversores solares: aumento da produção e confiabilidade de energia.

Aeroespacial: componentes de alta temperatura e alta estresse.

Equipamento industrial: peças fortes e duradouras.

4. Quais produtos são feitos de carboneto de silício?

Os produtos feitos de carboneto de silício variam de semicondutores e dispositivos eletrônicos a abrasivos, ferramentas de corte e elementos de aquecimento.Também é usado em armadura e equipamento de proteção devido à sua dureza e resistência térmica.

5. Onde o carboneto de silício é produzido?

O carboneto de silício é produzido em instalações especializadas, principalmente nos Estados Unidos, China e Europa.As empresas operam fornos de alta temperatura para sintetizar o SiC de matérias-primas como areia de quartzo e coca-cola de petróleo.

6. Qual é a diferença entre o silício e o carboneto de silício?

A diferença entre o silício e o carboneto de silício está em suas propriedades e aplicações.O silício é um elemento puro usado em dispositivos semicondutores padrão e painéis solares, enquanto o carboneto de silício é um composto conhecido por sua dureza, alta condutividade térmica e capacidade de operar em tensões e temperaturas mais altas.Isso torna o SIC ideal para aplicações de alta e alta temperatura, onde o silício falharia.