Rezistența și conductivitatea termică a carburii de siliciu

Carbura de siliciu este o ceramică cristalină extrem de dură, cu rezistență și conductivitate termică remarcabile, capabilă să suporte temperaturi ridicate fără dilatare termică și stabilitate chimică.

Recent, am raportat valori record ale conductivității termice (k) a cristalelor fononice izotrope la temperatura camerei în cristale masive de 3C-SiC la scara plăcilor la temperaturi mai mari decât temperatura camerei; cifra noastră a fost cu peste 50% mai mare decât produsele comerciale 6H-SiC și AlN.

1. Expansiune termică redusă

Ceramica din carbură de siliciu are capacitatea de a-și menține rezistența la temperaturi ridicate, rezistând în același timp la șocuri termice, o caracteristică importantă având în vedere că schimbările bruște de temperatură pot crea tensiuni termice în materiale, ducând la microfisuri.

Rata scăzută de dilatare termică a carburii de siliciu o face un material excelent pentru aplicații aerospațiale și spațiale, fiind, de asemenea, frecvent utilizată ca armură antiglonț datorită capacității sale de a rezista la impactul gloanțelor.

Bandgap-ul larg al carburii de siliciu este o altă caracteristică cheie care îl distinge ca material semiconductor remarcabil. Bandgap-ul este o barieră energetică pe care electronii trebuie să o depășească pentru a trece de la banda de valență la banda de conducție; în cazul carburii de siliciu, această barieră energetică există între banda de valență și banda de conducție; mai îngustă decât a conductorilor, dar mult mai largă decât a izolatorilor, ceea ce permite electricității să circule mai ușor între aceste benzi. Carbura de siliciu poate fi transformată în semiconductor de tip p prin doparea cu dopanți de aluminiu, bor sau galiu, în timp ce pot fi adăugați și dopanți de azot sau fosfor, ceea ce va produce un semiconductor de tip n.

2. Conductivitate termică ridicată

Conductivitatea termică excelentă a SiC îi permite să disipeze rapid căldura, ajutând la protejarea dispozitivelor electronice de degradarea performanțelor sau de scurtarea duratei lor de viață din cauza temperaturilor excesiv de ridicate.

Carbura de siliciu se remarcă ca un material ideal pentru utilizarea în aplicații metalurgice datorită calităților sale durabile, rezistenței mecanice ridicate, inerției chimice, coeficientului scăzut de dilatare termică și rezistenței superioare la șocuri termice. În plus, prezintă o rezistență excelentă la coroziune și este capabil să suporte temperaturi foarte ridicate.

Carbura de siliciu a fost sintetizată pentru prima dată de Pennsylvanian Edward Acheson în 1891 prin încălzirea unui amestec de argilă și cocs pudră într-un bol de fier cu un electrod de carbon. Astăzi, carbura de siliciu a devenit unul dintre cele mai utilizate materiale ceramice industriale din lume; la nivel mondial se consumă peste 1 milion de tone pe an. Rezistența excelentă la șocuri termice a carburii de siliciu se datorează conductivității termice ridicate și proprietăților sale de dilatare termică redusă; astfel, carbura de siliciu este utilizată pe scară largă în oglinzile utilizate la telescoapele astronomice, precum și în plăcile de blindaj din vestele antiglonț.

3. Rezistență ridicată la șocuri termice

Carbura de siliciu oferă o rezistență excelentă la șocurile termice și poate suporta schimbări bruște de temperatură, ceea ce o face potrivită pentru utilizarea în medii dificile. În plus, rezistă bine la expunerea la acizi și alcalii - alte avantaje în ceea ce privește rezistența chimică.

Carbura de siliciu se deosebește de alte materiale refractare prin faptul că nu se descompune în oxizi la temperaturi ridicate și este inertă chimic, cu excepția apei.

Carbura de siliciu pură se comportă ca un izolator electric; cu toate acestea, prin adăugarea de impurități controlate, aceasta poate servi ca semiconductor. Doparea cu aluminiu, bor sau galiu creează semiconductori de tip P cu o rezistență la tensiune mai mare decât cea a siliciului standard, ceea ce îi face potriviți pentru aplicații pentru vehicule electrice sau sisteme de generare a energiei, precum și pentru plăcile de veste antiglonț. De asemenea, refractarele îl utilizează pentru a ajuta la gestionarea eficientă a fluxurilor de curent - un avantaj față de proprietățile lor izolante.

4. Conductivitate termică ridicată

Structura rețelei de legături dintre atomii de carbon și de siliciu a carburii de siliciu are ca rezultat un material extrem de dur, cu o conductivitate termică ridicată și o dilatare termică redusă, ceea ce îl face capabil să reziste în condiții dificile, cum ar fi medii cu temperatură și tensiune ridicate.

Conductivitatea termică a carburii de siliciu sinterizate depinde de multe variabile, cum ar fi tipul aditivului de sinterizare, dimensiunea granulelor și compoziția fazelor și microstructura. Prin urmare, identificarea aspectelor sale cele mai critice pentru îmbunătățirea conductivității termice.

Noile cercetări au scos la iveală faptul că 3C-SiC prezintă o împrăștiere ridicată a fononilor datorită purității și calității cristalelor sale, ceea ce îi conferă proprietăți excelente de transport care ar putea face din acesta un excelent semiconductor cu bandă largă pentru aplicații electronice de putere. Datorită rezistenței sale la coroziunea chimică, oxidare, uzură, aplicații tehnologice de etanșare dinamică, precum și componente industriale; SiC se dovedește a fi, de asemenea, o alegere durabilă în ceea ce privește aplicațiile de gestionare termică, deoarece rămâne rezistent la acești factori.

5. Bandgap larg

Bandgap-ul se referă la cantitatea de energie de care au nevoie electronii și găurile pentru a trece din banda de valență în banda de conducție, carbura de siliciu și nitrurile de galiu având bandgap-uri mai mari decât materialele semiconductoare tradiționale, precum siliciul, pentru a suporta tensiuni și temperaturi mai ridicate.

Semiconductorii cu bandă largă, cum ar fi carbura de siliciu și nitrurile de galiu, au pătruns în aplicațiile electronice de putere și optoelectronice, unde îmbunătățesc eficiența, reducând în același timp pierderile de energie. Tensiunea lor de blocare ridicată și rezistența redusă la conectare fac ca aceste semiconductoare să fie potrivite pentru viteze de comutare mai mari și medii cu radiații.

Conductivitatea termică excelentă a semiconductorilor cu bandă largă este esențială în aplicațiile în care temperatura dispozitivului trebuie ținută sub control pentru a evita supraîncălzirea și degradarea performanței. Temperaturile lor de topire mai ridicate și coeficienții reduși de dilatare termică permit, de asemenea, evacuarea rapidă a căldurii din dispozitiv.

6. Conductivitate electrică ridicată

Conductivitatea electrică excelentă a carburii de siliciu o face un material fantastic pentru aplicații electrice de înaltă performanță. Acesta poate rezista la temperaturi extreme, rămânând puternic în condiții de căldură și presiune intense.

Adăugarea de aditivi specifici în timpul sinterizării poate spori conductivitatea electrică a carburii de siliciu poroase și poate contribui la scăderea rezistenței, prevenind în același timp oxidarea structurii sale poroase.

Cu toate acestea, acest lucru nu modifică conductivitatea fononilor și se poate observa în continuare că, odată cu creșterea dimensiunii gâtului, conductivitatea scade.

În etapa de producție a carburii de siliciu, se utilizează adesea doparea cu aluminiu, bor și galiu pentru a forma un semiconductor de tip p. Dacă se dorește, dopajul cu azot și fosfor se poate face, de asemenea, pentru a crea un semiconductor de tip N și a controla astfel proprietățile sale electrice. Din acest motiv, această practică a devenit o practică standard în industria semiconductorilor.

7. Conductivitate termică ridicată

Carbura de siliciu este una dintre cele mai ușoare, mai dure și mai rezistente ceramici avansate disponibile în prezent. Este utilizat pe scară largă pentru piese rezistente la uzură datorită rezistenței sale, rezistenței la coroziune și expansiunii termice reduse, precum și în materiale refractare pentru duritatea sa și în electronică pentru conductivitatea sa termică ridicată.

SiC se comportă ca un izolator electric în stare pură, dar poate fi transformat într-un semiconductor prin dopare controlată. Doparea cu aluminiu, bor sau galiu produce un semiconductor de tip p, în timp ce doparea cu azot și fosfor creează un semiconductor de tip N.

SiC este popular datorită bandgap-ului său larg, care permite electronilor să se deplaseze mai ușor între stările energetice. Împreună cu mobilitatea mai mare a electronilor și pierderile reduse de putere, acest lucru face din SiC o alegere excelentă de material pentru utilizarea în dispozitive electronice precum diodele și tranzistoarele - factori cheie care contribuie la utilizarea sa în aplicații de electronică de putere și optoelectronică.

8. Conductivitate termică ridicată

Conductivitatea termică superioară a carburii de siliciu și coeficientul scăzut de dilatare o fac rezistentă la schimbările rapide de temperatură, ceea ce o face potrivită pentru aplicații solicitante în industria ceramică, metalurgică și chimică. Duritatea și rigiditatea sa îl fac, de asemenea, potrivit pentru utilizare.

Recent, s-a observat că SiC policristalin sinterizat în fază lichidă (LPS) cu aditivi Y2O3 și Sc2O3 a prezentat o conductivitate termică de până la 261,5 W/m-K; cu toate acestea, factorii responsabili pentru această performanță rămân puțin înțeleși.

Această cercetare urmărește să exploreze corelația dintre compoziția fazelor, microstructura și conductivitatea termică a probelor de LPS-SiC utilizând metode de analiză prin difracție de raze X, microscopie electronică de transmisie cu scanare de înaltă rezoluție și difracție electronică cu retrodifuzie. Aceste tehnici permit, de asemenea, identificarea defectelor chimice sau structurale care afectează conductivitatea termică. Rezultatele demonstrează că atât compoziția fazelor, cât și microstructura influențează semnificativ conductivitatea termică;

9. Conductivitate termică ridicată

Carbura de siliciu se mândrește cu o conductivitate termică ridicată datorită structurii rețelei sale cristaline compuse din legături între atomii de carbon și de siliciu, care dă naștere la rate scăzute de dilatare termică și rezistență mecanică - două caracteristici care se combină pentru a face din acest material o ceramică structurală excelentă pentru utilizări industriale.

SiC este utilizat pe scară largă ca material de placare în reactoarele nucleare datorită rezistenței sale la expunerea la radiații, conductivității termice și rezistenței la fractură - calități care au fost verificate prin experimente și simulări.

Recent, s-a raportat că conductivitatea termică la temperatura camerei a ceramicii policristaline SiC sinterizate în fază lichidă (LPS) cu aditivi Y2O3-Sc2O3 a atins 261,5 W/m-K. Se consideră că numeroși factori afectează această valoare, cum ar fi conținutul de oxigen/azot din rețea, porozitatea, distribuția dimensiunii granulelor, structurile limitelor granulelor și transformarea fazelor, împreună cu compoziția și formulările aditivilor. Această lucrare evaluează influența acestora asupra conductivității termice a LPS-SiC, descoperind în același timp orice posibile conexiuni ascunse între diferiți factori.

10. Conductivitate termică ridicată

Carbura de siliciu este o ceramică ideală pentru aplicații la temperaturi ridicate, oferind puritate, rigiditate, rezistență chimică și la oxidare, dilatare termică redusă și rezistență la șocuri termice - caracteristici care o fac potrivită pentru utilizarea industrială. Carbura de siliciu are numeroase aplicații, inclusiv blocuri și cărămizi de căptușeală pentru furnaluri înalte; șine de ghidare; absorbanți de undă pentru particule de combustibil nuclear; acoperiri de protecție pe echipamente metalurgice și acoperiri de protecție utilizate ca acoperiri de protecție împotriva uzurii.

Electronicele și optoelectronicele de înaltă performanță necesită o disipare eficientă a căldurii pentru a funcționa la cel mai bun nivel. Din păcate, generarea localizată de căldură degradează performanța prin creșterea temperaturii dispozitivelor.

Cercetătorii au făcut recent descoperirea surprinzătoare că cristalele 3C-SiC independente la scara plăcilor pot obține conductivități termice izotrope la temperatura camerei echivalente cu valorile lor teoretice, în parte datorită diverșilor factori, inclusiv nivelurile de oxigen/azot din rețea, nivelurile de porozitate, transformările de fază, modificările structurii granițelor granulelor și compoziția aditivă care afectează valoarea conductivității termice. Munca lor ar putea contribui la proiectarea dispozitivelor electronice de zi cu zi care utilizează acești semiconductori.