Silicijev karbid Diamant

Diamant iz silicijevega karbida je izjemen material z izjemno odpornostjo proti obrabi, ki je še posebej privlačen za aplikacije, ki vključujejo odpornost proti obrabi. Proizvodnja lahko poteka brez pritiska z infiltracijo poroznih diamantnih preform, vezanih na ogljik, s tekočim silicijem.

Rezultat postopka infiltracije je nastanek goste grafitne plasti na vmesniku diamant/silicij, ki zagotavlja izjemno trdnost.

Toplotna prevodnost

Toplotna prevodnost je ena od ključnih lastnosti, zaradi katerih je diamant iz silicijevega karbida privlačen material za visoko zmogljive elektronske naprave, vključno s polprevodniškimi laserji, visokozmogljivimi tranzistorji, optičnimi ojačevalniki in močnimi LED. Visoka toplotna prevodnost kompozita diamant/SiC omogoča učinkovit prenos toplote skozi njega, hkrati pa zmanjšuje izgube energije na vmesnikih z diamantnimi delci. Njegova odlična toplotna prevodnost je predvsem posledica učinkovite tvorbe ogljika v fazah SiC ter dobre medfazne povezave med fazami diamanta in SiC.

Za doseganje največje toplotne prevodnosti kompozitov diamant/SiC je treba upoštevati tri strukturne parametre: 1) prostorninsko vsebnost diamanta in prostega silicija, 2) velikost zrn diamanta in 3) strukturo vmesnika med diamantom in fazo SiC. Za izdelavo visokokakovostnih kompozitov s tehnologijo diamant/SiC je treba pogoje njegove sinteze prilagoditi tako, da se zaščitijo njegovi diamantni delci - na primer s sintranjem pri temperaturah, višjih od temperature taljenja silicijevega prahu kot nosilnega materiala, in uporabo mešanice a-Si3N4 in silicijevega prahu kot nosilnega materiala za amorfni b-SiC.

Da lahko diamant in grafit tvorita nepropustno matrico, primerno za infiltracijo s tekočim silicijem, je mogoče uporabiti peč FAST/SPS pri povišanih temperaturah s kratkimi časi sintranja (manj kot 30 sekund), da se na vmesniku med diamantom in b-SiC ustvari tanka plast grafita, ki znatno poveča toplotno prevodnost.

Sestava je bila določena z uporabo poliranih prečnih prerezov in skenirnega elektronskega mikroskopa (SEM). Slike SEM kažejo, da je b-SiC v celoti vgrajen v diamant, brez vrzeli med njima. Poleg tega je poskus lomljenja ESB pokazal, da se razpoke večinoma širijo skozi diamant, potem ko se začnejo v grafitni vmesni plasti med b-SiC in diamantom; zato je mogoče doseči skupno vsebnost preostalega silicija 5 vol%.

Prelomna trdnost

Silicijev karbid (SiC) je eden najtrših in najmočnejših naprednih keramičnih materialov z odlično odpornostjo proti eroziji in obrabi, izjemno toplotno prevodnostjo, nizkim koeficientom toplotnega raztezka in izjemno toplotno prevodnostjo, zaradi česar je idealen za uporabo pri visokih temperaturah. Vendar pa je SiC pri zelo visokih temperaturah sintranja lahko dovzeten za oksidacijo. To poslabšanje trdote in lomne žilavosti omejuje njegovo uporabnost v zahtevnih aplikacijah, vendar je to težavo mogoče odpraviti z nanosom ognjevzdržnih plasti, kot je diamant, na njegovo površino.

Kristalni diamant ima izjemne mehanske lastnosti, ki lahko močno povečajo lomno žilavost silicijevega karbida, ne le njegovo odpornost proti abraziji. Z uporabo rentgenske difrakcije in Ramanove spektroskopije so raziskovalci lahko izmerili morfologijo in porazdelitev diamantnih delcev v popolnoma gostem kompozitu SiC-diamant, izdelanem pri tlaku GPa; njegova trdota je znašala 45 GPa, Knoopova trdota pa 42 GPa z neverjetnim Youngovim modulom 560 GPa!

S krogličnim mletjem prvotnega prahu SiC z mešanico silicija in grafita, ki mu je sledilo visokotlačno sintranje pri GPa, je bila ustvarjena vmesna plast diamantov, ki je povečala trdoto za 35 GPa, hkrati pa znatno povečala upogibno trdnost na 3 GPa in skoraj podvojila lomno trdnost.

Za merjenje lomne žilavosti vzorcev so bili uporabljeni Vickersovi vbodniki, pri čemer je bilo ugotovljeno, da se razpoke širijo predvsem skozi konzole diamantne faze. Poleg tega je večina konzol pokazala nagnjene vmesnike zaradi različnih elastičnih konstant med vmesnimi fazami ali lokalnih poškodb na vmesniku diamant/SiC. To je mogoče razložiti z razlikami v elastičnih konstantah ali lokalnimi poškodbami na vmesniku diamant/SiC.

Eksperimentalni podatki so bili analizirani, da bi preverili, ali je lomna žilavost kompozitov TiO2-diamant povezana z razpršitvijo energije med ciklom vtiskovanja, in ocenili, ali je mogoče visoko trdoto in lomno žilavost pripisati izboljšani vezavi med vmesnimi fazami; prav tako je bilo ugotovljeno, da so v ostrem nasprotju z gladkimi lomnimi površinami pri vzorcih brez diamantičnega vmesnega sloja.

Električna prevodnost

Diamant iz silicijevega karbida ima izjemno visoko električno prevodnost, vendar ta material trenutno ni primeren za večino aplikacij zaradi procesa sintranja, ki je potreben za njegovo popolno zgoščevanje, zaradi česar se 20% struktura telesa skrči, kar onemogoča strojno obdelavo z majhnimi tolerancami, za proizvodnjo pa so potrebna draga orodja in oprema.

S sintranjem se med diamantom in matrico SiC ustvari tudi grafitna vmesna plast, ki ga ščiti pred reakcijo s tekočim silicijem in nastankom SiC. Poleg tega njena prisotnost omejuje sposobnost diamanta, da absorbira toploto iz okoliškega materiala matrice, in povzroča manjšo toplotno prevodnost.

Znanstveniki s področja materialov se danes soočajo s ključnim izzivom pri ustvarjanju kompaktnih in stroškovno učinkovitih radiatorjev za visokozmogljive polprevodniške naprave, kot so močnostni tranzistorji in fotodiode, ki zahtevajo veliko hladilno površino, kot so močnostni tranzistorji ali fotodiode. Aluminij in baker imata visoko toplotno prevodnost, vendar se njuni koeficienti linearnega toplotnega raztezka bistveno razlikujejo od koeficientov linearnega toplotnega raztezka polprevodniških naprav, ki naj bi jih hladila - trenutno se njuni koeficienti linearnega toplotnega raztezka razlikujejo za več kot 20%!

Alternativni pristop vključuje uporabo kompozita naravnega diamanta in nanokristalnega SiC. Ustvarjena je bila različica, modificirana z borom, ki jo je mogoče sintrati pri višjih tlakih in temperaturah, ne da bi pri tem nastala vmesna plast grafita, kar zagotavlja odlične toplotne in mehanske lastnosti ter nizko električno upornost.

Kompozit SiC-diamant je pri upogibnem preskusu pokazal odlično lomno žilavost 12 MPa-m1/2, kar dokazuje slika ESB, prikazana na sliki 1. Razširjanje razpok se je začelo v bližini vmesnika med grafitom in diamantom, kar je pokazatelj kratkih poti razpok, ki zmanjšujejo obremenitev kompozita.

Rentgenski difrakcijski vzorec in Ramanov spekter nespečenega kompozita kažeta, da kroglično zmleti prah vsebuje kristalni in amorfni silicij. Z naraščajočo temperaturo sintranja se frekvenca amorfnega silicijevega vrha zmanjšuje, kar kaže na transformacijo v kristalinični silicij in nato v SiC med postopkom sintranja.

Mehanske lastnosti

Mehanske lastnosti diamantov iz silicijevega karbida so odvisne od trdnosti vezi med diamantom in silicijevim karbidom ter kakovosti vmesnika med diamantom in grafitom. Slednji je bistvenega pomena za izdelavo materialov z vrhunsko lomno žilavostjo ob hkratnem zmanjšanju toplotne prevodnosti v primerjavi z monokristalnimi diamanti zaradi pretvorbe ogljika iz kristalnega v amorfno stanje na vmesniku ter prisotnosti grafitnih mejnih plasti in mikroporov.

Za povečanje lomne žilavosti teh materialov je bila razvita nova metoda priprave, ki odpravlja potrebo po infiltraciji v pogojih nizkega vakuuma. S krogličnim mletjem nastane prah, sestavljen iz diamanta, grafita in amorfnega silicija, ki se nato zmeša s silicijevim karbidom v prahu in stisne pod visokim tlakom, da nastane predoblika z odlično lomno žilavostjo, primerna za različne aplikacije.

Za nadaljnjo optimizacijo mehanskih lastnosti teh materialov smo izvedli obsežne študije o vplivu velikosti diamantnih zrn in polimodalne porazdelitve na njihove mehanske lastnosti. Po izvedbi teh raziskav smo ugotovili, da je optimalni material sestavljen iz diamanta z največjo velikostjo zrn 10 mm, ki zagotavlja popolno pretvorbo vsega amorfnega silicija brez preobremenitve materiala s prostimi delci silicija; poleg tega njegov učinek ne vpliva negativno na interakcije med diamantom in grafitom.

Za analizo rezultatov, pridobljenih v tej študiji, sta bili uporabljeni poljska emisijska elektronska mikroskopija (FE-SEM) in energijsko disperzna rentgenska spektroskopija. Slika 5 prikazuje primer, pripravljen v skladu z VZORCEM E, na katerem je slika FE-SEM, na kateri so diamantni delci sferično razpršeni po matrici; med delci ni bilo večjih vrzeli, kar kaže na to, da je karbonizacija dodatno utesnila predoblike. Rentgenska difrakcija je pokazala pretežno amorfni silicij z dvema manjšima vrhovoma pri 2Th = 28deg in 52deg, ki kažeta na majhne količine kristaliziranega silicija.