Diamant iz silicijevega karbida je izjemen material z izjemno odpornostjo proti obrabi, ki je \u0161e posebej privla\u010den za aplikacije, ki vklju\u010dujejo odpornost proti obrabi. Proizvodnja lahko poteka brez pritiska z infiltracijo poroznih diamantnih preform, vezanih na ogljik, s teko\u010dim silicijem.<\/p>\n
Rezultat postopka infiltracije je nastanek goste grafitne plasti na vmesniku diamant\/silicij, ki zagotavlja izjemno trdnost.<\/p>\n
Toplotna prevodnost je ena od klju\u010dnih lastnosti, zaradi katerih je diamant iz silicijevega karbida privla\u010den material za visoko zmogljive elektronske naprave, vklju\u010dno s polprevodni\u0161kimi laserji, visokozmogljivimi tranzistorji, opti\u010dnimi oja\u010devalniki in mo\u010dnimi LED. Visoka toplotna prevodnost kompozita diamant\/SiC omogo\u010da u\u010dinkovit prenos toplote skozi njega, hkrati pa zmanj\u0161uje izgube energije na vmesnikih z diamantnimi delci. Njegova odli\u010dna toplotna prevodnost je predvsem posledica u\u010dinkovite tvorbe ogljika v fazah SiC ter dobre medfazne povezave med fazami diamanta in SiC.<\/p>\n
Za doseganje najve\u010dje toplotne prevodnosti kompozitov diamant\/SiC je treba upo\u0161tevati 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 za\u0161\u010ditijo njegovi diamantni delci - na primer s sintranjem pri temperaturah, vi\u0161jih od temperature taljenja silicijevega prahu kot nosilnega materiala, in uporabo me\u0161anice a-Si3N4 in silicijevega prahu kot nosilnega materiala za amorfni b-SiC.<\/p>\n
Da lahko diamant in grafit tvorita nepropustno matrico, primerno za infiltracijo s teko\u010dim silicijem, je mogo\u010de uporabiti pe\u010d FAST\/SPS pri povi\u0161anih temperaturah s kratkimi \u010dasi sintranja (manj kot 30 sekund), da se na vmesniku med diamantom in b-SiC ustvari tanka plast grafita, ki znatno pove\u010da toplotno prevodnost.<\/p>\n
Sestava je bila dolo\u010dena z uporabo poliranih pre\u010dnih prerezov in skenirnega elektronskega mikroskopa (SEM). Slike SEM ka\u017eejo, da je b-SiC v celoti vgrajen v diamant, brez vrzeli med njima. Poleg tega je poskus lomljenja ESB pokazal, da se razpoke ve\u010dinoma \u0161irijo skozi diamant, potem ko se za\u010dnejo v grafitni vmesni plasti med b-SiC in diamantom; zato je mogo\u010de dose\u010di skupno vsebnost preostalega silicija 5 vol%.<\/p>\n
Silicijev karbid (SiC) je eden najtr\u0161ih in najmo\u010dnej\u0161ih naprednih kerami\u010dnih materialov z odli\u010dno odpornostjo proti eroziji in obrabi, izjemno toplotno prevodnostjo, nizkim koeficientom toplotnega raztezka in izjemno toplotno prevodnostjo, zaradi \u010desar je idealen za uporabo pri visokih temperaturah. Vendar pa je SiC pri zelo visokih temperaturah sintranja lahko dovzeten za oksidacijo. To poslab\u0161anje trdote in lomne \u017eilavosti omejuje njegovo uporabnost v zahtevnih aplikacijah, vendar je to te\u017eavo mogo\u010de odpraviti z nanosom ognjevzdr\u017enih plasti, kot je diamant, na njegovo povr\u0161ino.<\/p>\n
Kristalni diamant ima izjemne mehanske lastnosti, ki lahko mo\u010dno pove\u010dajo lomno \u017eilavost 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 zna\u0161ala 45 GPa, Knoopova trdota pa 42 GPa z neverjetnim Youngovim modulom 560 GPa!<\/p>\n
S krogli\u010dnim mletjem prvotnega prahu SiC z me\u0161anico silicija in grafita, ki mu je sledilo visokotla\u010dno sintranje pri GPa, je bila ustvarjena vmesna plast diamantov, ki je pove\u010dala trdoto za 35 GPa, hkrati pa znatno pove\u010dala upogibno trdnost na 3 GPa in skoraj podvojila lomno trdnost.<\/p>\n
Za merjenje lomne \u017eilavosti vzorcev so bili uporabljeni Vickersovi vbodniki, pri \u010demer je bilo ugotovljeno, da se razpoke \u0161irijo predvsem skozi konzole diamantne faze. Poleg tega je ve\u010dina konzol pokazala nagnjene vmesnike zaradi razli\u010dnih elasti\u010dnih konstant med vmesnimi fazami ali lokalnih po\u0161kodb na vmesniku diamant\/SiC. To je mogo\u010de razlo\u017eiti z razlikami v elasti\u010dnih konstantah ali lokalnimi po\u0161kodbami na vmesniku diamant\/SiC.<\/p>\n
Eksperimentalni podatki so bili analizirani, da bi preverili, ali je lomna \u017eilavost kompozitov TiO2-diamant povezana z razpr\u0161itvijo energije med ciklom vtiskovanja, in ocenili, ali je mogo\u010de visoko trdoto in lomno \u017eilavost pripisati izbolj\u0161ani vezavi med vmesnimi fazami; prav tako je bilo ugotovljeno, da so v ostrem nasprotju z gladkimi lomnimi povr\u0161inami pri vzorcih brez diamanti\u010dnega vmesnega sloja.<\/p>\n
Diamant iz silicijevega karbida ima izjemno visoko elektri\u010dno prevodnost, vendar ta material trenutno ni primeren za ve\u010dino aplikacij zaradi procesa sintranja, ki je potreben za njegovo popolno zgo\u0161\u010devanje, zaradi \u010desar se 20% struktura telesa skr\u010di, kar onemogo\u010da strojno obdelavo z majhnimi tolerancami, za proizvodnjo pa so potrebna draga orodja in oprema.<\/p>\n
S sintranjem se med diamantom in matrico SiC ustvari tudi grafitna vmesna plast, ki ga \u0161\u010diti pred reakcijo s teko\u010dim silicijem in nastankom SiC. Poleg tega njena prisotnost omejuje sposobnost diamanta, da absorbira toploto iz okoli\u0161kega materiala matrice, in povzro\u010da manj\u0161o toplotno prevodnost.<\/p>\n
Znanstveniki s podro\u010dja materialov se danes soo\u010dajo s klju\u010dnim izzivom pri ustvarjanju kompaktnih in stro\u0161kovno u\u010dinkovitih radiatorjev za visokozmogljive polprevodni\u0161ke naprave, kot so mo\u010dnostni tranzistorji in fotodiode, ki zahtevajo veliko hladilno povr\u0161ino, kot so mo\u010dnostni tranzistorji ali fotodiode. Aluminij in baker imata visoko toplotno prevodnost, vendar se njuni koeficienti linearnega toplotnega raztezka bistveno razlikujejo od koeficientov linearnega toplotnega raztezka polprevodni\u0161kih naprav, ki naj bi jih hladila - trenutno se njuni koeficienti linearnega toplotnega raztezka razlikujejo za ve\u010d kot 20%!<\/p>\n
Alternativni pristop vklju\u010duje uporabo kompozita naravnega diamanta in nanokristalnega SiC. Ustvarjena je bila razli\u010dica, modificirana z borom, ki jo je mogo\u010de sintrati pri vi\u0161jih tlakih in temperaturah, ne da bi pri tem nastala vmesna plast grafita, kar zagotavlja odli\u010dne toplotne in mehanske lastnosti ter nizko elektri\u010dno upornost.<\/p>\n
Kompozit SiC-diamant je pri upogibnem preskusu pokazal odli\u010dno lomno \u017eilavost 12 MPa-m1\/2, kar dokazuje slika ESB, prikazana na sliki 1. Raz\u0161irjanje razpok se je za\u010delo v bli\u017eini vmesnika med grafitom in diamantom, kar je pokazatelj kratkih poti razpok, ki zmanj\u0161ujejo obremenitev kompozita.<\/p>\n
Rentgenski difrakcijski vzorec in Ramanov spekter nespe\u010denega kompozita ka\u017eeta, da krogli\u010dno zmleti prah vsebuje kristalni in amorfni silicij. Z nara\u0161\u010dajo\u010do temperaturo sintranja se frekvenca amorfnega silicijevega vrha zmanj\u0161uje, kar ka\u017ee na transformacijo v kristalini\u010dni silicij in nato v SiC med postopkom sintranja.<\/p>\n
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 \u017eilavostjo ob hkratnem zmanj\u0161anju toplotne prevodnosti v primerjavi z monokristalnimi diamanti zaradi pretvorbe ogljika iz kristalnega v amorfno stanje na vmesniku ter prisotnosti grafitnih mejnih plasti in mikroporov.<\/p>\n
Za pove\u010danje lomne \u017eilavosti teh materialov je bila razvita nova metoda priprave, ki odpravlja potrebo po infiltraciji v pogojih nizkega vakuuma. S krogli\u010dnim mletjem nastane prah, sestavljen iz diamanta, grafita in amorfnega silicija, ki se nato zme\u0161a s silicijevim karbidom v prahu in stisne pod visokim tlakom, da nastane predoblika z odli\u010dno lomno \u017eilavostjo, primerna za razli\u010dne aplikacije.<\/p>\n
Za nadaljnjo optimizacijo mehanskih lastnosti teh materialov smo izvedli obse\u017ene \u0161tudije 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 najve\u010djo velikostjo zrn 10 mm, ki zagotavlja popolno pretvorbo vsega amorfnega silicija brez preobremenitve materiala s prostimi delci silicija; poleg tega njegov u\u010dinek ne vpliva negativno na interakcije med diamantom in grafitom.<\/p>\n
Za analizo rezultatov, pridobljenih v tej \u0161tudiji, 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 sferi\u010dno razpr\u0161eni po matrici; med delci ni bilo ve\u010djih vrzeli, kar ka\u017ee na to, da je karbonizacija dodatno utesnila predoblike. Rentgenska difrakcija je pokazala prete\u017eno amorfni silicij z dvema manj\u0161ima vrhovoma pri 2Th = 28deg in 52deg, ki ka\u017eeta na majhne koli\u010dine kristaliziranega silicija.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Diamant iz silicijevega karbida je izjemen material z izjemno odpornostjo proti obrabi, ki je \u0161e posebej privla\u010den za aplikacije, ki vklju\u010dujejo odpornost proti obrabi. Proizvodnja lahko poteka brez pritiska z infiltriranjem poroznih diamantnih preform, vezanih na ogljik, s teko\u010dim silicijem. Rezultat postopka infiltracije je nastanek goste grafitne plasti na stiku diamant\/silicij, ki zagotavlja izjemno odpornost na ...<\/p>\n