Топлопроводимост на силициев карбид

Силициевият карбид или карборундът () е твърда керамика, произведена за първи път през 1893 г. за използване като абразив. Макар че съществуват естествени екземпляри (скъпоценни камъни моисанит и малки количества като магмена скала, наречена корунд), повечето съвременни употреби се осъществяват по синтетичен път.

Известно е, че SiC се отличава с висока устойчивост на умора, висока топлопроводимост и нисък коефициент на разширение; това го прави подходящ за производство, за да издържа на високи температури, като същевременно остава здрав в корозивна среда.

Термофизични свойства

Силициевият карбид е един от малкото материали с висока топлопроводимост при стайна температура. Поради своята твърдост, твърдост и температурна стабилност силициевият карбид е отличен материал за използване в огледалата на телескопите, използвани от астрономите.

Функционалната теория на плътността е използвана за систематични теоретични изследвания на структурните параметри и термофизичните свойства на кубичния силициев карбид (3C-SiC) при крайна температура. Нашите резултати по отношение на еластичните константи и микротвърдостта на Кнуп показаха задоволително съответствие с експерименталните данни, както и с изчислените резултати, публикувани другаде.

Като използвахме оптимизирани модели на структурата, получихме и оценки на атомно ниво на енергиите на образуване на дефекти за ZrC, TiC и SiC, използвайки оптимизирани модели на структурата. Резултатите показаха, че температурата на Дебай намалява с увеличаване на броя на атомите на дефекта, докато дефектите на CZr антисита и VC показват по-ниски енергии на образуване от аналогичните им дефекти VSi и Sit; намаляването на енергията на образуване може да повлияе на устойчивостта срещу едноосна и срязваща деформация на структурите на 3C-SiC.

Електрически свойства

Силициевият карбид е един от най-твърдите и топлопроводими материали в природата, който е устойчив на киселини и основи, като същевременно е устойчив на топлина до 1600 градуса по Целзий без загуба на якост. Освен това силициевият карбид е отличен електрически проводник.

Широката лента на пропускане на силициевия карбид го прави подходящ за използване в полупроводникови устройства като диоди, транзистори и тиристори, а способността му да издържа на големи напрежения и токове го прави полезен и в мощни енергийни устройства.

Порестият SiC може да бъде променен чрез добавяне на графенови нанопластинки (GNP), като се създава материал с подобрени термични свойства. Този материал може да бъде произведен чрез течнофазно искрово плазмено синтероване на стехиометричен или нестехиометричен SiC прах; тествани са различни комбинации от спомагателни вещества за синтероване (Y2O3 и La2O3), за да се оцени влиянието им върху фазовия състав, микроструктурата и топлопроводимостта на порести материали със съдържание на ГНП до 20 vol%; наблюдавана е немонотонна температурна зависимост при композити със съдържание на ГНП до 20%.

Механични свойства

Уникалният състав на силициевите и въглеродните атоми в кристалната решетка на SiC му придава забележителни механични свойства, които го превръщат в един от най-здравите и най-твърдите керамични материали. Силно устойчив на корозия от киселини, луга, разтопени соли, както и на абразия; твърдостта и здравината правят SiC привлекателен избор на материал за износоустойчиви компоненти, като например шлифовъчни дискове или свредла в мелници, експандери или екструдери.

Освен че е лек, керамичният материал притежава отлична устойчивост на термичен шок - той може да издържи на температури до 1600 градуса по Целзий, без да загуби механичните си свойства или термичното си разширение, като ниските стойности на термично разширение и изключително високият модул на Юнг осигуряват стабилност на размерите.

Порьозността на порестата SiC керамика варира в зависимост от метода на формиране (реакционно свързване или синтероване). Изследванията показват, че както електропроводимостта, така и якостта на огъване се увеличават с увеличаване на съдържанието на B4C поради способността му да адсорбира кислород от Si-C матричните материали и по този начин да намалява дължината на разсейване на фононите.

Приложения

Силициевият карбид се използва като абразив и режещ инструмент в производството. Благодарение на твърдата си и устойчива на топлина повърхност силициевият карбид може да се използва и като електронен полупроводник в диоди и транзистори, тъй като толерантността му по отношение на напрежението може да надмине тази на силиция.

Твърдостта на силициевия карбид, устойчивостта му на корозия и високата му топлопроводимост го правят отличен материал за защитно оборудване като каски и бронирани плочи. Освен това неговата химическа инертност означава, че не реагира с вода, което го прави идеален за използване в условия на висока влажност, като космически кораби и морска среда.

Рекристализираният силициев карбид (RSiC) се отличава с ненадмината комбинация от механични, термични и електрически свойства в сравнение с всички останали варианти на SiC. Плътната му микроструктура осигурява на RSiC нисък коефициент на разширение, като същевременно запазва здравината и твърдостта си при високи температури; освен това той показва относително по-високи стойности на модула на еластичност от структурната циркониева керамика и има ниски стойности на коефициента на термично разширение в сравнение със структурната циркониева керамика.