ماس كربيد السيليكون كربيد السيليكون

كربيد السيليكون شديد الصلابة، لكنه لا يزال أقل صلابة من الماس. لكنه لا يزال يحتل المرتبة الثانية كمادة شديدة الصلابة.

تخضع التشكيلات المسبقة المسامية من الماس ذات الروابط الكربونية المسامية للتسريب عن طريق تسريب السيليكون من خلال القوة الشعرية عند درجات حرارة تتجاوز درجة انصهاره، وعندها تتحول المادة الرابطة الكربونية إلى جرافيت.

التوصيل الحراري

كربيد السيليكون الماس هو مادة ذات درجة حرارة عالية للغاية مع توصيل حراري ممتاز، ويستخدم على نطاق واسع في مجالات الهندسة الكهربائية والإلكترونية والصناعية. تشمل التطبيقات أشباه موصلات التبريد والتسخين والترانزستورات ومصابيح LED للطاقة وكذلك تطبيقات إضاءة شاشات LED. وتعتمد الموصلية الحرارية لمركبات SiC/الماس على عدة عوامل بما في ذلك كمية الماس وحجمه وتكوين المادة الرابطة وبنية الواجهات بين المكونات بالإضافة إلى تأثير الطبقة البينية الجرافيتية على التوصيل الحراري لهذه المادة.

منذ العقد الماضي، كان ابتكار مواد عالية المقاومة للتآكل ذات موصلية حرارية ممتازة هدفاً مستمراً للبحث والتطوير. ويمكن إنتاج مواد "ماس كربيد السيليكون" من خلال تسلل السيليكون السائل من خلال القوى الشعرية عند درجات حرارة تتجاوز 1425 درجة مئوية لتشكيل هياكل مكعبة من مادة b-SiC التي يمكن أن تحل محل المواد الفولاذية التقليدية كمحامل أو موانع تسرب أو بطانات في التطبيقات الصناعية.

ولتحقيق التوصيل الحراري الأمثل في مركبات SiC/الماس المركبة، يمكن استخدام التوزيع ثنائي النمط لحبيبات الماس بأحجام وأجزاء مختلفة لزيادة التوصيل الحراري. توفر الأنظمة ثنائية النمط توصيلًا حراريًا أكبر بكثير مقارنةً بالأنظمة أحادية النمط بسبب وجود طبقات ذرية غرافيتية بين حبيبات الماس ومصفوفتها المضيفة من مادة مصفوفة ثنائية SiC.

بالإضافة إلى ذلك، تتم محاذاة الطبقات الذرية الجرافيتية بشكل عمودي على الواجهة، مما يخلق أنظمة ثنائية النمط ذات مساحات سطحية كبيرة نسبيًا تزيد من التوصيلية الحرارية. وتزداد الموصلية الحرارية أكثر إذا تم تلبيد الماس في درجات حرارة أعلى أو تم تثبيته لأوقات تثبيت أقصر أثناء تسلل السيليكون - مما يزيدها عن تلك الخاصة بالـ b-SiC النقي! وعلاوة على ذلك، تعتمد الموصلية الحرارية للمواد أيضًا على كمية السيليكون الحر والماس.

الصلابة

يتميز كربيد السيليكون، الذي يتكون من ذرات السيليكون والكربون، بصلابة مذهلة تبلغ 9.5 في موس، وبالتالي فهو يحتل المرتبة الثانية بعد الماس من حيث الصلابة. ونظرًا لقوته ومتانته، يستخدم كربيد السيليكون في العديد من الاستخدامات الصناعية.

يشترك كربيد السيليكون في العديد من الخصائص نفسها مع الماس، بما في ذلك بنيته البلورية رباعية الأوجه - أربع ذرات من كل عنصر تشترك في شبكة مكعبة متمركزة الوجه لتشكيل روابط تساهمية قوية مماثلة للروابط الرباعية الأوجه القوية للماس - بالإضافة إلى قوة الشد العالية ومعامل الاحتكاك المنخفض، مما يجعل كلتا المادتين من المواد الرائعة في قطع العمل.

يمكن إنتاج كربيد السيليكون باستخدام عدة تقنيات، حيث يتم إنتاج كربيد السيليكون الاصطناعي من خلال صهر رمل الكوارتز أو فحم الكوك البترولي (أو فحم الكوك الفحم) أو رقائق الخشب أو غيرها من المواد الخام في أفران ذات درجة حرارة عالية. وبمجرد إنشائه، يُظهر كربيد السيليكون صلابة وله درجة انصهار مرتفعة ويقاوم الأكسدة حتى في ظروف درجات الحرارة القصوى.

لكربيد السيليكون العديد من الاستخدامات العملية في الصناعة. أحد هذه الاستخدامات في المواد الكاشطة. فبفضل خصائص المقاومة والقوة الاستثنائية التي يتميز بها، يُستخدم كربيد السيليكون كجزء لا غنى عنه في ورق الصنفرة وعجلات الطحن وأدوات القطع. ويستخدم كربيد السيليكون أيضًا كمكون عازل في الأفران الصناعية وكذلك الأجزاء المقاومة للتآكل في المضخات ومحركات الصواريخ والركائز شبه الموصلة المستخدمة في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

هناك طرق مختلفة لإنتاج كربيد السيليكون. وتتضمن التقنيات التقليدية استخدام عملية تلبيد يتم فيها دمج مسحوق السيليكون والكربون في مصهر عالي الضغط لتشكيل كتلة متكلسة من كربيد السيليكون يمكن بعد ذلك تقطيعها إلى الأشكال والأحجام المرغوبة. وهناك بديل آخر ينطوي على تفاعل السيليكون السائل مع الجرافيت المسامي؛ مما يؤدي إلى إنتاج مويسانيت صناعي أسود له بعض الخصائص الميكانيكية نفسها دون أن يكون مكلفاً.

وقد وُجد أن مواد الماس المرتبطة بكربيد السيليكون المنتجة خصيصًا والمزودة بطبقات غرافيتية في واجهتها البينية تتميز بقوة عالية بشكل استثنائي، تتجاوز حتى قوة واجهات الماس الخالية من الجرافيت/السيكلين الغرافيتي، على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كان ذلك يرجع إلى الطبقات الغرافيتية البينية.

الاستقرار الكيميائي

يُعد ماس كربيد السيليكون من المواد شديدة المرونة مع ثبات كيميائي ممتاز، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات التآكل مثل الموانع والبطانات والفوهات. علاوة على ذلك، يصنع هذا الماس أدوات قطع رائعة. ونظراً لهيكله البلوري القوي وخصائص صلابته الجيدة، فإن تصنيع ماس كربيد السيليكون مباشرة نسبياً مقارنة بالعديد من المواد الصلبة الأخرى، كما أنه يمتلك معامل احتكاك منخفض، مما يجعله مناسباً للاستخدامات الصناعية.

شهد ماس كربيد السيليكون تطورًا سريعًا بسبب زيادة متطلبات مقاومة التآكل. يمكن إنتاج كربيد السيليكون، وهو مركب غير عضوي يتكون من الكربون والسيليكون ذو بنية بلورية سداسية الشكل، بأشكال وأحجام مختلفة. وقد ابتكر إدوارد جودريتش أتشيسون أول مركب كربيد السيليكون في عام 1891 عن طريق تسخين الطين ومسحوق فحم الكوك معًا في وعاء حديدي حتى تكونت بلورات زرقاء عرفت باسم الكاربوروندوم - وكان أتشيسون يعتقد أن هذه المادة ستكون لها قيمة أعلى من الفحم حيث يمكن استخدامها لصنع المعادن.

يختلف كربيد السيليكون اختلافًا كبيرًا عن الماس النقي في أنه يتمتع بثبات أكبر في ظل ظروف درجات الحرارة العالية ومعامل احتكاك منخفض، بينما يكون أرخص بكثير. ولذلك، أصبح كربيد السيليكون المادة المفضلة للاستخدامات الصناعية.

عند استخدامه كمسحوق فراش للتشكيلات المسبقة من الماس والسيليكون، يمنع مسحوق الفراش a-Si3N4 تكوين كربيد السيليكون وتشكيل طبقات الشركة - وبالتالي زيادة قوة واجهة الماس والسيليكون بشكل كبير مقارنةً بالعينات التقليدية المدمجة في السيليكون المنصهر.

ومع ذلك، لا تزال الطبيعة الدقيقة لهذه الواجهات غير مفسرة إلى حد كبير. وقد يكون ذلك نتيجة لضعف الروابط بين المستويات الجرافيتية أو المراحل المختلفة في الواجهة البينية التي تتطلب مزيدًا من البحث لفهمها بشكل كامل.

تم استخدام مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) لتقييم توزيع الكثافة الذرية في طبقة غير متبلورة مصنوعة من 3 C-SiC/مادة الماس. ولوحظ انخفاض تدريجي في ملامح الكثافة لذرات الكربون والسيليكون بالقرب من الواجهة البينية المترابطة، مع إظهار الكربون انحدارًا أقل حدة. وأظهر السيليكون ملامح كثافة مقعرة قليلاً بينما كان الكربون أكثر تدرجاً.

البنية المجهرية

الألماس هو حجر كريم طبيعي تكوّن على مدى ملايين السنين، ومع ذلك يمكن إنتاجه صناعياً بتكلفة أقل بكثير في المختبر. أما كربيد السيليكون، وهو حجر كريم اصطناعي آخر ذو خصائص مماثلة ولكن بتكاليف أقل بكثير، فهو أكثر متانة وفعالية من حيث التكلفة. فمعامل انكساره العالي يمكّنه من عكس الضوء بفعالية أكبر من الأحجار الكريمة الأخرى بينما متانته تجعله مناسباً للارتداء اليومي. وعلاوة على ذلك، فإن نقطة انصهاره المنخفضة تعني أنه يمكن أن يتحمل درجات الحرارة العالية والمواد الكيميائية دون أن يتشقق تحت الضغط.

تتألف البنية المجهرية لمركبات كربيد السيليكون والماس عادةً من شبكات ثلاثية الأبعاد متداخلة تتكون من كربيد السيليكون والماس. ويحدد حجم الجسيمات وشكلها البنية النهائية لكربيدات السيليكون ثلاثية الوصلات؛ وعادةً ما تكون الطبقات الذرية البينية الجرافيتية متعامدة باتجاه سطح الماس/كربيد السيليكون لتكوين روابط محكمة معه - وعادةً ما يكون سمكها أقل بكثير من طول الرابطة بين ذرات كربيد السيليكون وطبقات الماس الذرية.

للحصول على التوصيل الحراري الأمثل لماس كربيد السيليكون، من المهم فهم كيفية تفاعل ذراته. يمكن استخدام حزمة أشعة سينكروترون بالأشعة السينية لفحص واجهات الماس وكربيد السيليكون وبارامترات بنيتها وتفاعلها. وأظهرت النتائج تفاعلات ضعيفة بين الجسيمات؛ حيث تحتوي مناطق التلامس بين جسيمات الماس وكربيد السيليكون على طبقات كربون زجاجية وطبقات حدية غرافيتية ومسامات دقيقة - وهو مؤشر على ضعف التوصيل الحراري للماس.

يتفاعل كربيد السيليكون والماس بشكل وثيق، ومع ذلك تعتمد قوته أيضًا على بنيته المجهرية. وتتكون هذه البنية المجهرية من شبكة ثلاثية الأبعاد من جزيئات الماس وكربيد السيليكون مع الحد الأدنى من التغطية البينية الجرافيتية عبر مساحة سطحه؛ علاوة على ذلك، تحدد هذه البنية المجهرية أيضًا الخواص الميكانيكية مثل مقاومة الكسر.

تزداد قوة العينة الكابولية كلما زاد ميل واجهات الماس/السيكلور المكلور نحو نهايتها المحملة، كما هو موضح في محاكاة الديناميكيات الجزيئية للواجهات المتوازية. وقد أثبتت عينة ذات إمالة 40 نانومترًا قوتها بشكل خاص.