Termisk ledningsevne for siliciumcarbid

Siliciumcarbid, eller carborundum (), er en hård keramik, der første gang blev masseproduceret i 1893 til brug som slibemiddel. Der findes naturlige forekomster (moissanit-ædelstene og små mængder som en vulkansk bjergart kaldet korund), men de fleste moderne anvendelser sker syntetisk.

SiC er kendt for at have høj udmattelsesmodstand, høj varmeledningsevne og en lav udvidelseskoefficient, hvilket gør det velegnet til fremstilling ved høje temperaturer, samtidig med at det forbliver stærkt i korrosive miljøer.

Termofysiske egenskaber

Siliciumcarbid er et af de få materialer med høj varmeledningsevne ved stuetemperatur. På grund af sin hårde, stive og temperaturstabile natur er siliciumcarbid et fremragende materialevalg til brug i teleskopspejle, der bruges af astronomer.

Density Functional Theory blev brugt til systematiske teoretiske undersøgelser af de strukturelle parametre og termofysiske egenskaber ved endelig temperatur for kubisk siliciumcarbid (3C-SiC). Vores resultater vedrørende elastiske konstanter og Knoop-mikrohårdhed viste tilfredsstillende overensstemmelse med eksperimentelle data såvel som beregnede resultater, der er offentliggjort andre steder.

Ved at anvende optimerede strukturmodeller opnåede vi også estimater på atomniveau af defektdannelsesenergier for ZrC, TiC og SiC ved hjælp af optimerede strukturmodeller. Resultaterne viste, at Debye-temperaturen falder med stigende antal defektatomer, mens CZr-antisit- og VC-defekter udviser lavere dannelsesenergier end deres modstykke VSi- og Sit-defekter; deres reduktion af dannelsesenergien kan påvirke 3C-SiC-strukturers modstandsdygtighed over for enaksial og forskydningsdeformation.

Elektriske egenskaber

Siliciumcarbid er et af de hårdeste og mest varmeledende materialer, der findes i naturen, og det modstår angreb fra både syrer og baser, samtidig med at det er varmebestandigt op til 1600 grader uden tab af styrke. Desuden er siliciumcarbid en fremragende elektrisk leder.

Siliciumkarbidens brede båndgab gør det velegnet til brug i halvlederenheder som dioder, transistorer og tyristorer, mens dets evne til at modstå store spændinger og strømme også gør det nyttigt i højeffektsenheder.

Porøst SiC kan ændres ved at tilføje grafen-nanoplader (GNP'er), hvilket skaber et materiale med forbedrede termiske egenskaber. Dette materiale kan fremstilles via væskefase-gnistplasmasintring af enten støkiometrisk eller off-støkiometrisk SiC-pulver; forskellige kombinationer af sintringshjælpemidler (Y2O3 og La2O3) blev testet for at evaluere deres virkninger på fasesammensætning, mikrostruktur og varmeledningsevne af porøse materialer med op til 20 vol% GNP-indhold; ikke-monoton temperaturafhængighed blev observeret med kompositter, der indeholdt op til 20% GNP-indhold.

Mekaniske egenskaber

SiC's unikke sammensætning af silicium- og kulstofatomer i krystalgitteret giver det bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber, der gør det til et af de hårdeste og mest slidstærke keramiske materialer. Meget modstandsdygtigt over for korrosion fra syrer, lud, smeltede salte samt slid; stivhed og styrke gør SiC til et attraktivt materialevalg til slidstærke komponenter som f.eks. slibeskiver eller bor i møller, ekspandere eller ekstrudere.

Ud over at være let udviser keramisk materiale fremragende modstandsdygtighed over for termisk chok - det kan modstå temperaturer på op til 1600 grader uden at miste sine mekaniske egenskaber eller varmeudvidelse, med lave varmeudvidelseshastigheder og et usædvanligt højt Young-modul, der giver dimensionsstabilitet.

Porøsiteten i porøs SiC-keramik varierer afhængigt af deres formningsmetode (reaktionsbinding eller sintring). Undersøgelser har vist, at både elektrisk ledningsevne og bøjningsstyrke øges med stigende B4C-indhold på grund af dets evne til at adsorbere ilt fra Si-C-matrixmaterialer og dermed mindske fononspredningslængden.

Anvendelser

Siliciumcarbid bruges både som slibemiddel og skæreværktøj i produktionen. På grund af sin hårde og varmebestandige overflade findes siliciumcarbid også som elektronisk halvleder i dioder og transistorer, da dets spændingstolerance kan overgå siliciums.

Siliciumcarbids hårdhed, modstandsdygtighed over for korrosion og høje varmeledningsevne gør det til et fremragende materiale til beskyttelsesudstyr som hjelme og panserplader. Desuden betyder dets kemiske inerti, at det ikke reagerer med vand, hvilket gør det ideelt til brug i miljøer med høj luftfugtighed som f.eks. rumfartøjer og havmiljøer.

Rekrystalliseret siliciumcarbid (RSiC) kan prale af en uovertruffen blanding af mekaniske, termiske og elektriske egenskaber end nogen anden SiC-variant. Den tætte mikrostruktur giver RSiC en lav udvidelseskoefficient, samtidig med at den bevarer styrke og stivhed ved høje temperaturer; desuden har den relativt højere værdier for elasticitetsmodul end strukturel zirkonia-keramik og lave værdier for termisk udvidelseskoefficient sammenlignet med strukturel zirkonia-keramik.