El diamante de carburo de silicio es un material excepcional con una resistencia excepcional al desgaste que resulta especialmente atractivo para aplicaciones que implican resistencia al desgaste. La producci\u00f3n puede realizarse sin presi\u00f3n mediante la infiltraci\u00f3n de preformas porosas de diamante ligado con carbono con silicio l\u00edquido.<\/p>\n
El proceso de infiltraci\u00f3n da lugar a la formaci\u00f3n de una densa capa graf\u00edtica en la interfaz diamante\/silicio que ofrece una resistencia excepcional.<\/p>\n
La conductividad t\u00e9rmica es una de las propiedades clave que hacen del diamante carburo de silicio un material atractivo para dispositivos electr\u00f3nicos de alto rendimiento, como l\u00e1seres semiconductores, transistores de alta potencia, amplificadores \u00f3pticos y LED de potencia. La elevada conductividad t\u00e9rmica del compuesto diamante\/SiC permite una transferencia eficaz del calor a trav\u00e9s de \u00e9l, al tiempo que minimiza las p\u00e9rdidas de energ\u00eda en sus interfaces con las part\u00edculas de diamante. Su conductividad t\u00e9rmica superior se debe principalmente a la formaci\u00f3n eficaz de carbono en las fases de SiC, as\u00ed como a la s\u00f3lida uni\u00f3n interfacial entre las fases de diamante y SiC.<\/p>\n
Para conseguir la m\u00e1xima conductividad t\u00e9rmica de los compuestos de diamante\/SiC, hay que tener en cuenta tres par\u00e1metros estructurales: 1) contenido en volumen de diamante y silicio libre; 2) tama\u00f1o de grano del diamante; y 3) estructura de la interfaz entre el diamante y la fase de SiC. Para producir compuestos de alta calidad utilizando la tecnolog\u00eda diamante\/SiC, sus condiciones de s\u00edntesis deben adaptarse de forma que se protejan sus part\u00edculas de diamante, por ejemplo, sinterizando a temperaturas superiores al punto de fusi\u00f3n del polvo de silicio como material de lecho y utilizando una mezcla de a-Si3N4 y polvo de silicio como material de lecho para un b-SiC amorfo.<\/p>\n
Para que el diamante y el grafito puedan formar una matriz impenetrable adecuada para infiltrarse con silicio l\u00edquido, se puede utilizar un horno FAST\/SPS a temperaturas elevadas con tiempos de sinterizaci\u00f3n cortos (menos de 30 segundos) para generar una fina capa de grafito en la interfaz entre el diamante y el b-SiC que mejore significativamente la conductividad t\u00e9rmica.<\/p>\n
La composici\u00f3n se determin\u00f3 mediante secciones transversales pulidas y microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido (SEM). Las im\u00e1genes SEM revelan que el b-SiC est\u00e1 completamente incrustado en el diamante, sin que exista ning\u00fan espacio entre ellos. Adem\u00e1s, un experimento de fractura ESB muestra que la propagaci\u00f3n de la grieta tiene lugar principalmente a trav\u00e9s del diamante tras iniciarse en una capa intermedia de grafito entre el b-SiC y el diamante; por tanto, es posible alcanzar un contenido residual global de silicio de 5 vol%.<\/p>\n
El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales cer\u00e1micos avanzados m\u00e1s duros y resistentes, con una excelente resistencia a la erosi\u00f3n y la abrasi\u00f3n, una excepcional conductividad t\u00e9rmica, un bajo coeficiente de expansi\u00f3n t\u00e9rmica y una excepcional conductividad t\u00e9rmica, lo que lo hace perfecto para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, el SiC puede volverse susceptible a la oxidaci\u00f3n a temperaturas de sinterizaci\u00f3n muy elevadas. Esta degradaci\u00f3n de la dureza y la resistencia a la fractura limita su utilidad en aplicaciones exigentes, pero este problema puede remediarse aplicando a su superficie capas refractarias como el diamante.<\/p>\n
El diamante cristalino posee propiedades mec\u00e1nicas excepcionales que pueden aumentar considerablemente la resistencia a la fractura del carburo de silicio, m\u00e1s all\u00e1 de su resistencia a la abrasi\u00f3n. Gracias a la difracci\u00f3n de rayos X y a la espectroscopia Raman, los investigadores pudieron medir la morfolog\u00eda y la distribuci\u00f3n de las part\u00edculas de diamante en un compuesto de SiC y diamante totalmente denso fabricado a una presi\u00f3n de GPa; su dureza fue de 45 GPa y la dureza Knoop de 42 GPa, con un incre\u00edble m\u00f3dulo de Young de 560 GPa.<\/p>\n
Al moler el polvo de SiC original con una mezcla de silicio y grafito y sinterizarlo a alta presi\u00f3n a GPa, se cre\u00f3 una capa intermedia de diamantes que mejor\u00f3 la dureza en 35 GPa y aument\u00f3 significativamente la resistencia a la flexi\u00f3n a 3 GPa, duplicando pr\u00e1cticamente la resistencia a la fractura.<\/p>\n
Se utilizaron penetradores Vickers para medir la tenacidad a la fractura de las muestras, y se observ\u00f3 que las grietas se propagaban predominantemente a trav\u00e9s de los voladizos de la fase diamante. Adem\u00e1s, la mayor\u00eda de los voladizos mostraban interfaces inclinadas debido a diferentes constantes el\u00e1sticas entre las fases interconectadas o a da\u00f1os locales en la interfaz diamante\/SiC. Esto puede explicarse por diferencias en las constantes el\u00e1sticas o por da\u00f1os locales en la interfaz diamante\/SiC.<\/p>\n
Se analizaron los datos experimentales para examinar si la tenacidad a la fractura de los materiales compuestos TiO2-diamante ten\u00eda alguna correlaci\u00f3n con la disipaci\u00f3n de energ\u00eda durante un ciclo de indentaci\u00f3n, y para evaluar si su elevada dureza y tenacidad a la fractura pod\u00edan atribuirse a la mejora de la uni\u00f3n entre las fases interconectadas; tambi\u00e9n se observ\u00f3 su marcado contraste con las superficies de fractura lisas observadas en las muestras sin capas intermedias de diamante.<\/p>\n
El diamante de carburo de silicio tiene una conductividad el\u00e9ctrica extremadamente alta; sin embargo, este material es actualmente inadecuado para la mayor\u00eda de las aplicaciones debido al proceso de sinterizaci\u00f3n necesario para densificarlo completamente, lo que 20% provoca la contracci\u00f3n de la estructura del cuerpo, imposibilitando el mecanizado de tolerancias estrechas y necesitando herramientas y equipos caros para la producci\u00f3n.<\/p>\n
La sinterizaci\u00f3n tambi\u00e9n produce una capa intermedia graf\u00edtica entre el diamante y la matriz de SiC, que sirve para protegerlo de la reacci\u00f3n con el silicio l\u00edquido y producir SiC. Adem\u00e1s, su presencia limita la capacidad del diamante para absorber el calor del material de la matriz circundante y provoca una menor conductividad t\u00e9rmica.<\/p>\n
Los cient\u00edficos de materiales se enfrentan hoy a un reto clave a la hora de crear disipadores de calor compactos y rentables para dispositivos semiconductores de alta potencia, como transistores de potencia y fotodiodos, que requieren una amplia superficie de refrigeraci\u00f3n. El aluminio y el cobre tienen conductividades t\u00e9rmicas elevadas, pero sus coeficientes de dilataci\u00f3n t\u00e9rmica lineal difieren considerablemente de los de los dispositivos semiconductores que deben refrigerar: \u00a1actualmente sus coeficientes de dilataci\u00f3n t\u00e9rmica lineal difieren en m\u00e1s de 20%!<\/p>\n
Un enfoque alternativo consiste en utilizar un compuesto de diamante natural y SiC nanocristalino. Se ha creado una versi\u00f3n modificada con boro que puede sinterizarse a presiones y temperaturas m\u00e1s elevadas sin producir capas intermedias de grafito, lo que proporciona excelentes propiedades t\u00e9rmicas y mec\u00e1nicas, as\u00ed como una baja resistividad el\u00e9ctrica.<\/p>\n
El compuesto SiC-diamante mostr\u00f3 una excelente tenacidad a la fractura de 12 MPa-m1\/2 cuando se someti\u00f3 a un ensayo de flexi\u00f3n, como demuestra la imagen ESB que se muestra en la figura 1. La propagaci\u00f3n de la grieta comenz\u00f3 cerca de la interfaz grafito-diamante, lo que indica que las trayectorias de la grieta son cortas y reducen la tensi\u00f3n en el material compuesto.<\/p>\n
El patr\u00f3n de difracci\u00f3n de rayos X y el espectro Raman de un compuesto sin sinterizar muestran que el polvo molido con bolas contiene tanto silicio cristalino como amorfo. Al aumentar la temperatura de sinterizaci\u00f3n, la frecuencia de un pico de silicio amorfo disminuye al aumentar la temperatura de sinterizaci\u00f3n, lo que indica la transformaci\u00f3n en silicio cristalino y luego en SiC durante el proceso de sinterizaci\u00f3n.<\/p>\n
Las propiedades mec\u00e1nicas de los diamantes de carburo de silicio dependen tanto de la fuerza de la uni\u00f3n entre el diamante y el carburo de silicio como de la calidad de la interfaz diamante\/grafito. Esta \u00faltima desempe\u00f1a un papel fundamental en la producci\u00f3n de materiales con una mayor resistencia a la fractura, al tiempo que disminuye la conductividad t\u00e9rmica en comparaci\u00f3n con los diamantes monocristalinos, debido a la conversi\u00f3n del carbono de su estado cristalino a su estado amorfo en la interfaz y a la presencia de capas l\u00edmite y microporos de grafito.<\/p>\n
Para aumentar la resistencia a la fractura de estos materiales, se ha ideado un nuevo m\u00e9todo de preparaci\u00f3n que elimina la necesidad de infiltraci\u00f3n en condiciones de bajo vac\u00edo. El fresado con bolas produce un polvo compuesto de diamante, grafito y silicio amorfo que luego se mezcla con polvo de carburo de silicio y se comprime a alta presi\u00f3n para formar una preforma con una excelente tenacidad a la fractura adecuada para diversas aplicaciones.<\/p>\n
Para optimizar a\u00fan m\u00e1s las propiedades mec\u00e1nicas de estos materiales, realizamos estudios exhaustivos sobre los efectos del tama\u00f1o de grano del diamante y la distribuci\u00f3n polimodal en sus propiedades mec\u00e1nicas. Tras realizar estas investigaciones, descubrimos que un material \u00f3ptimo est\u00e1 compuesto por diamante con un tama\u00f1o de grano m\u00e1ximo de 10 mm que garantiza que todo el silicio amorfo se transforme por completo sin sobrecargar el material con part\u00edculas de silicio libres; adem\u00e1s, su efecto no influye negativamente en las interacciones de la interfaz diamante\/grafito.<\/p>\n
Para analizar los resultados obtenidos en este estudio se emplearon la microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido por emisi\u00f3n de campo (FE-SEM) y la espectroscop\u00eda de rayos X por energ\u00eda dispersiva. La figura 5 muestra un ejemplo preparado seg\u00fan el EJEMPLO E, con una imagen FE-SEM que muestra part\u00edculas de diamante dispersas esf\u00e9ricamente por toda su matriz; no hab\u00eda grandes huecos entre las part\u00edculas, lo que sugiere que la carbonizaci\u00f3n hab\u00eda apretado a\u00fan m\u00e1s las preformas. La difracci\u00f3n de rayos X revel\u00f3 silicio en gran parte amorfo con dos picos menores a 2Th = 28deg y 52deg que indican peque\u00f1as cantidades de silicio cristalizado.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Silicon carbide diamond is an exceptional material with exceptional wear resistance that is particularly appealing for applications involving wear resistance. Production can take place without pressure by infiltrating porous carbon bonded diamond preforms with liquid silicon. The infiltration process results in the formation of a dense graphitic layer at the diamond\/silicon interface that offers exceptional …<\/p>\n