Pevnosť a tepelná vodivosť karbidu kremíka

Karbid kremíka je výnimočne tvrdá, kryštalická keramika s vynikajúcou pevnosťou a tepelnou vodivosťou, schopná odolávať vysokým teplotám bez tepelnej rozťažnosti a chemickej stability.

Nedávno sme zaznamenali rekordne vysoké hodnoty izotropnej fonickej kryštálovej tepelnej vodivosti (k) pri izbovej teplote v objemových kryštáloch 3C-SiC pri teplotách vyšších ako izbová teplota; naša hodnota bola o viac ako 50% vyššia ako komerčné produkty 6H-SiC a AlN.

1. Nízka tepelná rozťažnosť

Keramika z karbidu kremíka má schopnosť udržať si pevnosť pri zvýšených teplotách a zároveň odolávať tepelným šokom, čo je dôležitá vlastnosť vzhľadom na to, že náhle zmeny teploty môžu v materiáloch vytvárať tepelné napätie, ktoré vedie k vzniku mikrotrhlín.

Nízka tepelná rozťažnosť karbidu kremíka z neho robí vynikajúci materiál pre letecké a vesmírne aplikácie, pričom sa často používa aj ako nepriestrelný pancier vďaka svojej schopnosti odolávať nárazom striel.

Ďalšou kľúčovou vlastnosťou karbidu kremíka, ktorá ho odlišuje ako výnimočný polovodičový materiál, je jeho široký pásový odstup. Pásmová medzera je energetická bariéra, ktorú musia elektróny prekonať, aby prešli z valenčného pásma do vodivostného pásma; v prípade karbidu kremíka je táto energetická bariéra medzi jeho valenčným a vodivostným pásmom; je užšia ako u vodičov, ale oveľa širšia ako u izolantov, čo umožňuje ľahší tok elektriny medzi týmito pásmi. Karbid kremíka možno premeniť na polovodič typu p dopovaním hliníkom, bórom alebo gáliom, pričom možno pridať aj dusík alebo fosfor, čím vznikne polovodič typu n.

2. Vysoká tepelná vodivosť

Vynikajúca tepelná vodivosť SiC umožňuje rýchlo odvádzať teplo, čím pomáha chrániť elektronické zariadenia pred znížením výkonu alebo skrátením ich životnosti v dôsledku príliš vysokých teplôt.

Karbid kremíka je ideálnym materiálom na použitie v metalurgických aplikáciách vďaka svojim trvanlivým vlastnostiam, vysokej mechanickej pevnosti, chemickej inertnosti, nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti a vynikajúcej odolnosti voči tepelným šokom. Okrem toho sa vyznačuje vynikajúcou odolnosťou proti korózii a je schopný odolávať veľmi vysokým teplotám.

Karbid kremíka prvýkrát syntetizoval pennsylván Edward Acheson v roku 1891 zahrievaním zmesi hliny a práškového koksu v železnej miske s uhlíkovou elektródou. Dnes je karbid kremíka jedným z najpoužívanejších priemyselných keramických materiálov na svete; ročne sa ho spotrebuje viac ako 1 milión ton. Vynikajúca odolnosť karbidu kremíka voči tepelným šokom vyplýva z jeho vysokej tepelnej vodivosti a nízkej tepelnej rozťažnosti; preto sa hojne používa v zrkadlách používaných v astronomických teleskopoch, ako aj v pancierových doskách v nepriestrelných vestách.

3. Vysoká odolnosť proti tepelným šokom

Karbid kremíka má vynikajúcu odolnosť voči tepelným šokom a odoláva náhlym zmenám teploty, takže je vhodný na použitie v náročných podmienkach. Okrem toho dobre odoláva pôsobeniu kyselín a lúhov - ďalšie výhody z hľadiska chemickej odolnosti.

Karbid kremíka sa medzi ostatnými žiaruvzdornými materiálmi vyznačuje tým, že sa pri vysokých teplotách nerozkladá na oxidy a je chemicky inertný, okrem vody.

Čistý karbid kremíka sa správa ako elektrický izolant, avšak pridaním riadených prímesí môže slúžiť ako polovodič. Dopovanie hliníkom, bórom alebo gáliom vytvára polovodiče typu P s vyšším napäťovým odporom ako štandardný kremík, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie v elektrických vozidlách alebo systémoch na výrobu energie, ako aj pre nepriestrelné vesty. Využívajú ho aj žiaruvzdorné materiály, ktoré pomáhajú efektívne riadiť prúdové toky - čo je výhoda oproti ich izolačným vlastnostiam.

4. Vysoká tepelná vodivosť

Mriežková štruktúra väzieb medzi atómami uhlíka a kremíka karbidu kremíka vytvára výnimočne tvrdý materiál s vysokou tepelnou vodivosťou a nízkou tepelnou rozťažnosťou, vďaka čomu je schopný odolávať náročným podmienkam, ako sú vysoké teploty a napätie.

Tepelná vodivosť spekaného karbidu kremíka závisí od mnohých premenných, napríklad od typu spekanej prísady, veľkosti zrna, zloženia fáz a mikroštruktúry. Preto je potrebné identifikovať jeho najkritickejšie aspekty na zlepšenie tepelnej vodivosti.

Nový výskum odhalil, že 3C-SiC vykazuje vysoký rozptyl fonónov vďaka svojej čistote a kvalite kryštálov, čo mu poskytuje vynikajúce transportné vlastnosti, ktoré by z neho mohli urobiť vynikajúci polovodič so širokým pásmom pre aplikácie vo výkonovej elektronike. Vďaka svojej odolnosti voči chemickej korózii, oxidácii, opotrebovaniu, aplikáciám dynamickej tesniacej technológie, ako aj priemyselným komponentom sa SiC ukazuje ako trvanlivá voľba aj v prípade aplikácií tepelného manažmentu, pretože zostáva voči týmto faktorom odolný.

5. Široké pásmové rozpätie

Pásmová medzera označuje množstvo energie, ktoré elektróny a diery potrebujú na prechod z valenčného pásma do vodivostného pásma, pričom karbid kremíka a nitrid gália majú väčšie pásmové medzery ako tradičné polovodičové materiály, ako je kremík, aby sa prispôsobili vyšším napätiam a teplotám.

Polovodiče so širokým pásmom, ako je karbid kremíka a nitrid gália, sa presadili vo výkonovej elektronike a optoelektronike, kde zvyšujú účinnosť a zároveň znižujú energetické straty. Vďaka vysokému blokovaciemu napätiu a nízkemu odporu sú tieto polovodiče vhodné pre vyššie spínacie rýchlosti a radiačné prostredie.

Vynikajúca tepelná vodivosť širokopásmových polovodičov je nevyhnutná v aplikáciách, kde je potrebné udržiavať teplotu zariadenia pod kontrolou, aby sa zabránilo prehriatiu a zhoršeniu výkonu. Ich vyššie teploty tavenia a znížené koeficienty tepelnej rozťažnosti tiež umožňujú rýchly únik tepla zo zariadenia.

6. Vysoká elektrická vodivosť

Vynikajúca elektrická vodivosť karbidu kremíka z neho robí fantastický materiál pre vysoko výkonné elektrické aplikácie. Dokáže odolávať extrémnym teplotám a zároveň zostáva pevný v podmienkach intenzívneho tepla a tlaku.

Pridanie špecifických prísad počas spekania môže zvýšiť elektrickú vodivosť porézneho karbidu kremíka a pomôcť znížiť odpor a zároveň zabrániť oxidácii jeho poréznej štruktúry.

To však nemení fonónovú vodivosť a stále možno pozorovať, že s rastúcou veľkosťou hrdla vodivosť klesá.

Vo výrobnej fáze výroby karbidu kremíka sa často používa dopovanie hliníkom, bórom a gáliom na vytvorenie polovodiča typu p. Ak je to potrebné, môže sa použiť aj dopovanie dusíkom a fosforom, aby sa vytvoril polovodič typu N, a tým sa kontrolovali jeho elektrické vlastnosti. Tento postup sa z tohto dôvodu stal v polovodičovom priemysle štandardným postupom.

7. Vysoká tepelná vodivosť

Karbid kremíka je jednou z najľahších, najtvrdších a najpevnejších moderných keramík, ktoré sú dnes k dispozícii. Vďaka svojej pevnosti, odolnosti voči korózii a nízkej tepelnej rozťažnosti sa široko používa na výrobu dielov odolných voči opotrebovaniu, ako aj v žiaruvzdorných materiáloch pre svoju tvrdosť a v elektronike pre svoju vysokú tepelnú vodivosť.

SiC sa v čistom stave správa ako elektrický izolant, ale riadeným dopovaním ho možno premeniť na polovodič. Dopovanie hliníkom, bórom alebo gáliom vytvára polovodič typu p, zatiaľ čo dopovanie dusíkom a fosforom vytvára polovodič typu N.

SiC je obľúbený vďaka svojmu širokému pásmovému rozhraniu, ktoré umožňuje elektrónom ľahší pohyb medzi energetickými stavmi. V spojení s vyššou pohyblivosťou elektrónov a zníženými energetickými stratami je tak SiC vynikajúcou voľbou materiálu na použitie v elektronických zariadeniach, ako sú diódy a tranzistory - kľúčové faktory, ktoré prispievajú k jeho použitiu vo výkonovej elektronike a optoelektronike.

8. Vysoká tepelná vodivosť

Vynikajúca tepelná vodivosť a nízky koeficient rozťažnosti karbidu kremíka ho robia odolným voči rýchlym zmenám teploty, vďaka čomu je vhodný na náročné aplikácie v keramickom, metalurgickom a chemickom priemysle. Jeho tvrdosť a tuhosť ho tiež predurčujú na použitie.

Nedávno sa zistilo, že polykryštalický SiC spekaný v kvapalnej fáze (LPS) s prísadami Y2O3 a Sc2O3 vykazuje tepelnú vodivosť až 261,5 W/m-K; faktory zodpovedné za takýto výkon však stále nie sú dostatočne známe.

Cieľom tohto výskumu je preskúmať koreláciu medzi fázovým zložením, mikroštruktúrou a tepelnou vodivosťou vo vzorkách LPS-SiC pomocou röntgenovej difrakcie, skenovacej transmisnej elektrónovej mikroskopie s vysokým rozlíšením a metód spätnej difrakcie elektrónov. Tieto techniky umožňujú aj identifikáciu chemických alebo štrukturálnych defektov, ktoré ovplyvňujú tepelnú vodivosť. Výsledky ukazujú, že fázové zloženie aj mikroštruktúra významne ovplyvňujú tepelnú vodivosť;

9. Vysoká tepelná vodivosť

Karbid kremíka sa môže pochváliť vysokou tepelnou vodivosťou vďaka svojej kryštálovej mriežkovej štruktúre zloženej z väzieb medzi atómami uhlíka a kremíka, čo spôsobuje nízku tepelnú rozťažnosť a mechanickú pevnosť - dve vlastnosti, ktoré z tohto materiálu robia vynikajúcu konštrukčnú keramiku na priemyselné použitie.

SiC sa široko využíva ako materiál plášťa v jadrových reaktoroch vďaka svojej odolnosti voči žiareniu, tepelnej vodivosti a lomovej húževnatosti - vlastnosti, ktoré boli overené experimentmi a simuláciami.

Nedávno bolo oznámené, že tepelná vodivosť polykryštalickej SiC keramiky spekanej v kvapalnej fáze (LPS) s prísadami Y2O3-Sc2O3 pri izbovej teplote dosiahla 261,5 W/m-K. Predpokladá sa, že túto hodnotu ovplyvňuje množstvo faktorov, ako napríklad obsah kyslíka/dusíka v mriežke, pórovitosť, rozloženie veľkosti zŕn, štruktúry na hraniciach zŕn a fázová transformácia spolu so zložením a zložením prísad. Tento článok hodnotí ich vplyv na tepelnú vodivosť LPS-SiC a zároveň odhaľuje prípadné skryté súvislosti medzi rôznymi faktormi.

10. Vysoká tepelná vodivosť

Karbid kremíka je ideálna keramika pre vysokoteplotné aplikácie, ktorá ponúka čistotu, tuhosť, odolnosť voči chemikáliám a oxidácii, nízku tepelnú rozťažnosť a odolnosť voči tepelným šokom - vlastnosti, ktoré ju robia vhodnou na priemyselné použitie. Karbid kremíka má mnoho aplikácií vrátane vykladacích blokov a tehál vysokých pecí; vodiacich koľajníc; absorbérov vĺn pre častice jadrového paliva; ochranných povlakov na metalurgických zariadeniach a ochranných povlakov používaných ako ochranné povlaky proti opotrebovaniu.

Vysoko výkonná elektronika a optoelektronika si vyžadujú účinný odvod tepla, aby fungovali čo najlepšie. Nanešťastie, lokalizovaná tvorba tepla zhoršuje výkon tým, že zvyšuje teplotu zariadenia.

Výskumníci nedávno urobili prekvapivý objav, že voľne stojace kryštály 3C-SiC môžu pri izbovej teplote dosiahnuť izotropnú tepelnú vodivosť rovnajúcu sa ich teoretickým hodnotám, čiastočne vďaka rôznym faktorom vrátane úrovne kyslíka/dusíka v mriežke, úrovne pórovitosti, fázových transformácií, zmien štruktúry na hraniciach zŕn a zloženia prísad, ktoré ovplyvňujú hodnotu tepelnej vodivosti. Ich práca by mohla pomôcť pri navrhovaní každodenných elektronických zariadení využívajúcich tieto polovodiče.