Karbid křemíku Diamant

Karbid křemíku je extrémně tvrdý, ale stále méně tvrdý než diamant. Stále však patří na druhé místo mezi extrémně tvrdými materiály.

Pórovité diamantové předlisky s uhlíkovou vazbou procházejí infiltrací, při níž se křemík infiltruje kapilární silou při teplotách přesahujících bod tání, načež se uhlíkové pojivo přemění na grafit.

Tepelná vodivost

Diamant z karbidu křemíku je extrémně vysokoteplotní materiál s vynikající tepelnou vodivostí, který se široce používá v elektrotechnice, elektronice a průmyslu. Mezi jeho aplikace patří chlazení a ohřev polovodičů, tranzistorů a výkonových LED diod, stejně jako aplikace pro osvětlení LED displejů. Tepelná vodivost kompozitů SiC/diamant závisí na několika faktorech, včetně množství a velikosti diamantu, složení jejich pojivového materiálu a struktury jejich rozhraní mezi složkami, jakož i vlivu grafitové mezivrstvy na tepelnou vodivost tohoto materiálu.

Vytváření vysoce odolných materiálů proti opotřebení s vynikající tepelnou vodivostí je od minulého desetiletí trvalým cílem výzkumu a vývoje. Materiály "diamantového karbidu křemíku" lze vyrábět infiltrací kapalného křemíku kapilárními silami při teplotách vyšších než 1425 stupňů C za vzniku kubických struktur b-SiC, které by mohly nahradit tradiční ocelové materiály jako ložiska, těsnění nebo vložky v průmyslových aplikacích.

Pro optimální tepelnou vodivost kompozitů SiC/diamant lze pro zvýšení tepelné vodivosti použít bimodální rozložení diamantových zrn různých velikostí a frakcí. Bimodální systémy nabízejí výrazně vyšší tepelnou vodivost ve srovnání s monomodálními systémy díky tomu, že mezi diamantovými zrny a jejich hostitelskou matricí z matričního materiálu b-SiC jsou grafitické atomární vrstvy.

Navíc jsou vrstvy grafitových atomů uspořádány kolmo k rozhraní, čímž vznikají bimodální systémy s relativně velkým povrchem, který zvyšuje tepelnou vodivost. Tepelná vodivost se ještě zvýší, pokud je diamant slinut při vyšších teplotách nebo je během infiltrace křemíku udržován kratší dobu - a tím se zvýší nad úroveň čistého b-SiC! Tepelná vodivost materiálů navíc závisí také na množství volného křemíku a diamantu.

Tvrdost

Karbid křemíku, který se skládá z atomů křemíku a uhlíku, má vynikající tvrdost 9,5 podle Mohsovy stupnice a řadí se tak na druhé místo po diamantu, pokud jde o tvrdost. Díky své pevnosti a odolnosti nachází karbid křemíku četná průmyslová využití.

Karbid křemíku má mnoho společných vlastností s diamantem, včetně krystalové struktury, která je tetraedrická - čtyři atomy každého prvku sdílejí jednu kubickou mřížku s centrovaným povrchem a vytvářejí silné kovalentní vazby podobné silným tetraedrickým vazbám diamantu - a také vysokou pevnost v tahu a nízký koeficient tření, což z obou materiálů činí skvělé materiály pro obrobky.

Karbid křemíku lze vyrábět několika technikami, přičemž syntetický karbid křemíku se vyrábí tavením křemenného písku, ropného koksu (nebo uhelného koksu), dřevní štěpky nebo jiných surovin ve vysokoteplotních pecích. Jakmile je karbid křemíku vytvořen, vykazuje tvrdost, má zvýšenou teplotu tání a odolává oxidaci i za extrémních teplotních podmínek.

Karbid křemíku má mnoho praktických využití v průmyslu. Jedním z nich je použití v brusivech. Díky své výjimečné odolnosti a pevnosti je karbid křemíku nepostradatelnou součástí brusných papírů, brusných kotoučů a řezných nástrojů. Karbid křemíku nachází uplatnění také jako izolační součást průmyslových pecí, stejně jako jako součástky odolné proti opotřebení u čerpadel a raketových motorů a polovodičové substráty používané pro světelné diody (LED).

Existují různé metody výroby karbidu křemíku. Tradiční techniky zahrnují spékání, při němž se práškový křemík a uhlík spojí ve vysokotlaké tavenině a vytvoří se spékaný blok karbidu křemíku, který lze poté řezat do požadovaných tvarů a velikostí. Jiná alternativa zahrnuje reakci tekutého křemíku s porézním grafitem; tím vzniká černý syntetický moissanit, který má některé stejné mechanické vlastnosti, aniž by byl tak nákladný.

Bylo zjištěno, že speciálně vyráběné diamantové materiály vázané karbidem křemíku s grafitovými mezivrstvami na rozhraní se vyznačují výjimečně vysokou pevností, která převyšuje dokonce i pevnost rozhraní diamant/SiC bez grafitu, i když není jasné, zda je to způsobeno mezivrstvami grafitu.

Chemická stabilita

Diamanty z karbidu křemíku jsou extrémně odolné materiály s vynikající chemickou stabilitou, takže jsou vhodné pro aplikace opotřebení, jako jsou těsnění, vložky a trysky. Kromě toho jsou tyto diamanty skvělými řeznými nástroji. Díky jejich silné krystalové struktuře a dobrým tvrdostním vlastnostem je obrábění diamantů karbidu křemíku ve srovnání s mnoha jinými tvrdými materiály poměrně snadné a mají také nízký koeficient tření, což je činí vhodnými pro průmyslové použití.

Diamanty z karbidu křemíku zaznamenaly rychlý vývoj kvůli zvýšeným požadavkům na odolnost proti opotřebení. Karbid křemíku, anorganická sloučenina skládající se z uhlíku a křemíku s hexagonální krystalovou strukturou, může být vyráběn v různých tvarech a velikostech. Edward Goodrich Acheson vytvořil první sloučeninu karbidu křemíku v roce 1891 zahříváním jílu a práškového koksu v železné misce, dokud se nevytvořily modré krystaly, které byly známy jako karborundum - Acheson věřil, že tento materiál bude mít vyšší hodnotu než uhlí, protože se z něj dají vyrábět kovy.

Karbid křemíku se od čistého diamantu výrazně liší tím, že má větší stabilitu při vysokých teplotách a nízký koeficient tření, přičemž je výrazně levnější. Proto se karbid křemíku stal oblíbeným materiálem pro průmyslové použití.

Při použití jako podkladový prášek pro předlisky z diamantu a SiC zabraňuje prášek a-Si3N4 tvorbě karbidu křemíku a tvorbě korporátních vrstev, čímž výrazně zvyšuje pevnost rozhraní diamant-siC oproti běžným vzorkům zalitým v roztaveném křemíku.

Přesná povaha těchto rozhraní však zůstává z velké části nevysvětlena. Mohlo by jít o důsledek slabších vazeb mezi grafitovými rovinami nebo o různé fáze na rozhraní, které vyžadují další výzkum, aby byly plně pochopeny.

K posouzení rozložení atomové hustoty v amorfní vrstvě z materiálu 3 C-SiC/diamant byla použita energiově disperzní rentgenová spektrometrie (EDX). V profilech intenzity atomů uhlíku a křemíku v blízkosti jejich vazebného rozhraní byl pozorován postupný pokles, přičemž u uhlíku byl zaznamenán méně strmý sklon. Křemík vykazoval mírně konkávní hustotní profily, zatímco u uhlíku byly pozvolnější.

Mikrostruktura

Diamanty jsou přírodní drahokamy, které vznikaly miliony let, ale jejich výrobu lze provést synteticky v laboratoři za mnohem menší peníze. Karbid křemíku, další syntetický drahokam s podobnými vlastnostmi, ale mnohem nižšími náklady, je mnohem odolnější a cenově výhodnější. Jeho vysoký index lomu mu umožňuje odrážet světlo účinněji než jiné drahokamy a zároveň je díky své odolnosti vhodný pro každodenní nošení. Jeho nízký bod tání navíc znamená, že odolává vysokým teplotám i chemikáliím, aniž by pod tlakem praskal.

Mikrostruktura kompozitů diamant-karbid křemíku se obvykle skládá z prolínajících se trojrozměrných sítí složených z SiC a diamantu. Velikost a morfologie částic určuje konečnou strukturu trojitého spoje karbidů křemíku; typicky se atomární vrstvy grafitického rozhraní orientují kolmo k povrchu diamantu/SiC a vytvářejí s ním těsné vazby - jejich tloušťka je obvykle mnohem menší než délka vazby mezi atomy karbidu křemíku a atomárními vrstvami diamantu.

Pro optimální tepelnou vodivost diamantu z karbidu křemíku je zásadní pochopit, jak spolu jeho atomy interagují. Ke zkoumání rozhraní mezi diamantem a karbidem křemíku, jejich strukturních parametrů a vzájemného působení lze použít synchrotronový rentgenový svazek. Výsledky ukázaly slabé interakce mezi částicemi; kontaktní oblasti mezi částicemi diamantu a SiC obsahují sklovité vrstvy uhlíku, grafitické hraniční vrstvy a mikropóry - což je známkou špatné tepelné vodivosti diamantu.

SiC a diamant spolu úzce spolupracují, ale jeho pevnost závisí také na jeho mikrostruktuře. Tato mikrostruktura se skládá z trojrozměrné sítě částic diamantu a karbidu křemíku s pouze minimálním pokrytím grafitovými mezivrstvami po celé ploše povrchu; tato mikrostruktura navíc určuje i mechanické vlastnosti, jako je odolnost proti lomu.

Pevnost vzorku kantileveru se zvyšuje s tím, jak se více rozhraní diamant/SiC naklání k jeho zatíženému konci, jak ukazují simulace molekulární dynamiky paralelních rozhraní. Jako obzvláště pevný se ukázal vzorek s náklonem 40 nanometrů.