Алмаз з карбіду кремнію

Алмаз з карбіду кремнію - це винятковий матеріал з винятковою зносостійкістю, який є особливо привабливим для застосувань, що передбачають зносостійкість. Виробництво може відбуватися без тиску шляхом інфільтрації рідким кремнієм пористих алмазних преформ, зв'язаних вуглецевою зв'язкою.

Процес інфільтрації призводить до утворення щільного графітового шару на межі алмаз/кремній, який забезпечує виняткову міцність.

Теплопровідність

Теплопровідність - одна з ключових властивостей, яка робить алмазний карбід кремнію привабливим матеріалом для високопродуктивних електронних пристроїв, зокрема напівпровідникових лазерів, потужних транзисторів, оптичних підсилювачів і потужних світлодіодів. Висока теплопровідність композиту алмаз/SiC забезпечує ефективну передачу тепла через нього, мінімізуючи при цьому втрати енергії на границях розділу з частинками алмазу. Його чудова теплопровідність є результатом насамперед ефективного формування вуглецю у фазах SiC, а також міцного міжфазного зв'язку між алмазною та SiC фазами.

Для досягнення максимальної теплопровідності композитів алмаз/SiC необхідно враховувати три структурні параметри: 1) об'ємний вміст алмазу та вільного кремнію; 2) розмір зерна алмазу; 3) структура межі поділу між алмазом та фазою SiC. Для отримання високоякісних композитів за технологією алмаз/SiC умови синтезу повинні бути підібрані таким чином, щоб захистити алмазні частинки - наприклад, шляхом спікання при температурі, вищій за температуру плавлення кремнієвого порошку в якості наповнювача, і використання суміші a-Si3N4 і кремнієвого порошку в якості наповнювача для аморфного b-SiC.

Щоб алмаз і графіт могли сформувати непроникну матрицю, придатну для інфільтрації рідкого кремнію, піч FAST/SPS можна використовувати при підвищених температурах з коротким часом спікання (менше 30 секунд), щоб створити тонкий графітовий шар на межі алмазу і b-SiC, який значно покращує теплопровідність.

Склад було визначено за допомогою полірованих поперечних зрізів та скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Зображення РЕМ показують, що b-SiC повністю вбудований в алмаз, без зазору між ними. Крім того, експеримент з руйнування ESB показує, що поширення тріщини в основному відбувається через алмаз після зародження в графітовому прошарку між b-SiC і алмазом; отже, можливе досягнення загального залишкового вмісту кремнію 5 vol%.

В'язкість до руйнування

Карбід кремнію (SiC) - один з найтвердіших і найміцніших сучасних керамічних матеріалів з відмінною стійкістю до ерозії і стирання, винятковою теплопровідністю, низьким коефіцієнтом теплового розширення і винятковою теплопровідністю - що робить його ідеальним для застосування при високих температурах. Однак за дуже високих температур спікання SiC може бути схильний до окислення. Це погіршення твердості та в'язкості руйнування обмежує його застосування у складних умовах, але цю проблему можна вирішити, наносячи на його поверхню вогнетривкі шари, такі як алмаз.

Кристалічний алмаз має виняткові механічні властивості, які можуть значно підвищити в'язкість руйнування карбіду кремнію, а не лише його стійкість до стирання. Використовуючи рентгенівську дифракцію та спектроскопію комбінаційного розсіювання, дослідники змогли виміряти морфологію та розподіл алмазних частинок у повністю щільному композиті SiC-алмаз, виготовленому під тиском у ГПа; його твердість становила 45 ГПа, а твердість за Кнупом - 42 ГПа з неймовірним модулем Юнга 560 ГПа!

Кульове подрібнення вихідного порошку SiC з сумішшю кремнію та графіту з подальшим спіканням під високим тиском (GPa) створило прошарок алмазів, який підвищив твердість на 35GPa, а також значно збільшив міцність на вигин до 3 GPa і майже вдвічі збільшив в'язкість на розрив.

Для вимірювання в'язкості руйнування зразків використовували індентор Віккерса, і було виявлено, що тріщини поширюються переважно через кантилевери алмазної фази. Крім того, більшість кантилеверів мали нахилені границі розділу, що пояснюється або різними пружними константами між фазами, або локальними пошкодженнями на границі розділу алмаз/SiC. Це можна пояснити різницею в пружних константах або локальними пошкодженнями на межі поділу алмаз/SiC.

Експериментальні дані було проаналізовано з метою з'ясувати, чи має в'язкість руйнування TiO2-алмазних композитів якусь кореляцію з розсіюванням енергії під час циклу індентування, а також оцінити, чи можна пояснити їхню високу твердість і в'язкість руйнування посиленим зв'язком між взаємодіючими фазами; також було відзначено їхній різкий контраст з гладкими поверхнями зламу, що спостерігаються у зразках без алмазних прошарків.

Електропровідність

Алмаз з карбіду кремнію має надзвичайно високу електропровідність; однак цей матеріал наразі непридатний для більшості застосувань через процес спікання, необхідний для його повного ущільнення, що призводить до усадки структури тіла 20%, що унеможливлює обробку з високими допусками і потребує дорогих інструментів та обладнання для виробництва.

Спікання також створює графітовий прошарок між алмазом і матрицею SiC, який захищає його від реакції з рідким кремнієм і утворення SiC. Крім того, його присутність обмежує здатність алмазу поглинати тепло з навколишнього матеріалу матриці і призводить до зниження теплопровідності.

Сьогодні матеріалознавці стикаються з ключовим викликом у створенні компактних, економічно ефективних тепловідводів для потужних напівпровідникових приладів, таких як силові транзистори і фотодіоди, які потребують великої площі охолоджувальної поверхні, наприклад, силові транзистори або фотодіоди. Алюміній і мідь мають високу теплопровідність, але значно відрізняються за своїми коефіцієнтами лінійного теплового розширення від коефіцієнтів лінійного теплового розширення напівпровідникових пристроїв, для охолодження яких вони призначені - на сьогоднішній день їх коефіцієнти лінійного теплового розширення відрізняються більш ніж на 20%!

Альтернативний підхід передбачає використання композиту з природного алмазу та нанокристалічного SiC. Створено модифіковану бором версію, яку можна спікати за вищих тисків і температур без утворення графітового прошарку, що забезпечує відмінні термічні та механічні властивості, а також низький питомий електричний опір.

Композит SiC-алмаз показав відмінну в'язкість руйнування 12 МПа-м1/2 при випробуванні на вигин, як показано на його ESB-зображенні, показаному на рисунку 1. Поширення тріщини почалося поблизу межі розділу графіт-алмаз, що свідчить про короткі шляхи тріщин, які зменшують навантаження на композит.

Рентгенограма та спектр комбінаційного розсіювання світла невідспіканого композиту показують, що порошок, подрібнений у кульовому млині, містить як кристалічний, так і аморфний кремній. З підвищенням температури спікання частота піку аморфного кремнію зменшується, що вказує на його перетворення в кристалічний кремній, а потім у SiC в процесі спікання.

Механічні властивості

Механічні властивості алмазів на основі карбіду кремнію залежать як від міцності зв'язку між алмазом і карбідом кремнію, так і від якості межі поділу алмаз/графіт. Остання відіграє важливу роль у створенні матеріалів з вищою в'язкістю руйнування при одночасному зниженні теплопровідності порівняно з монокристалічними алмазами через перехід вуглецю з кристалічного стану в аморфний на межі поділу фаз і наявність графітових граничних шарів і мікропор.

Для підвищення в'язкості руйнування цих матеріалів було розроблено новий метод підготовки, який усуває необхідність інфільтрації в умовах низького вакууму. Кульове подрібнення виробляє порошок, що складається з алмазу, графіту і аморфного кремнію, який потім змішується з порошком карбіду кремнію і пресується під високим тиском, утворюючи заготовку з відмінною в'язкістю на злам, придатну для різних застосувань.

З метою подальшої оптимізації механічних властивостей цих матеріалів ми провели широкі дослідження впливу розміру зерна алмазу та його полімодального розподілу на механічні властивості. Після проведення цих досліджень ми виявили, що оптимальним матеріалом є алмаз з максимальним розміром зерна 10 мм, який забезпечує повне перетворення всього аморфного кремнію без перевантаження матеріалу вільними частинками кремнію; крім того, його дія не має негативного впливу на взаємодію алмаз/графіт на межі поділу фаз.

Для аналізу результатів, отриманих у цьому дослідженні, використовували польову емісійну скануючу електронну мікроскопію (FE-SEM) та енергодисперсійну рентгенівську спектроскопію. На рисунку 5 зображено приклад, підготовлений відповідно до ПРИКЛАДУ E, на якому показано зображення FE-SEM, що демонструє алмазні частинки, сферично розподілені по всій матриці; між частинками не було великих проміжків, що свідчить про те, що карбонізація ще більше ущільнила преформи. Рентгенівська дифракція виявила переважно аморфний кремній з двома незначними піками при 2Th = 28deg і 52deg, які вказують на невелику кількість кристалізованого кремнію.