Termisk ledningsevne for siliciumcarbid

Siliciumcarbid er et af de hårdeste og mest holdbare avancerede keramiske materialer. Det kan bevare sin styrke ved høje temperaturer, samtidig med at det er modstandsdygtigt over for syrer, baser og smeltede salte.

CVD SiC, der fremstilles ved kemisk dampudfældning, er en ekstremt ren form med bedre varmeledningsevne end sintret eller reaktionsbundet SiC.

Det er en halvleder

Siliciumcarbid (SiC) er en uorganisk halvleder med en sekskantet struktur og stærke kovalente bindinger. Dets kemiske sammensætning består af tre siliciumatomer forbundet med et kulstofatom, hvilket giver et ekstremt modstandsdygtigt materiale, der er i stand til at modstå høje temperaturer og spændinger samt kraftigere elektriske felter end traditionelt silicium. SiC kan modstå højere temperaturer end dets siliciumbaserede modstykke på grund af dets brede båndgab.

Ved høje temperaturer er de modstandsdygtige over for kemiske angreb, mens deres høje Young's modulus gør dem velegnede til effektelektronik. Deres lave koblingstab og hurtige reverse recovery-tid muliggør høje tændspændinger med minimale koblingstab for hurtige koblingshastigheder; hvilket gør denne enhed til en fremragende erstatning for IGBT'er eller bipolære transistorer i applikationer, der kræver høje nedbrydningsspændinger.

For nylig rapporterede et team fra University of Maryland om rekordhøje isotrope varmeledningsevneværdier ved stuetemperatur for tætte 3C-SiC-bulk-krystaller i wafer-skala ved stuetemperatur; disse resultater er over 50% højere end kommercielt tilgængelige 6H-SiC og AlN. Den forbedrede ledningsevne blev tilskrevet et rigeligt indhold af grafen-nanoplader, der er justeret parallelt og vinkelret på SPS-presseakserne i deres matrixmateriale.

Siliciumcarbid er fremragende til at sprede varme, hvilket begrænser den maksimale driftstemperatur og -spænding. Takket være dets modstandsdygtighed over for korrosion og termisk chok samt høj mekanisk styrke og lav udvidelseskoefficient har siliciumcarbid længe været brugt som waferbakkeunderlag og padler i halvlederovne samt brugt til henholdsvis temperaturregulatorer og varistorer.

Det er en isolator

Siliciumcarbid (SiC) har længe været brugt som halvledermateriale i elektroniske enheder. Det er hårdt, stærkt og holdbart, modstandsdygtigt over for korrosion, har et højt smeltepunkt og kan modstå høje spændinger og temperaturer, hvilket gør det velegnet til brug i industrielle applikationer. SiC findes naturligt i moissanit-juveler samt i små mængder i meteoritter, korundaflejringer og kimberlit, men det meste siliciumcarbid, der sælges på verdensplan, er syntetisk fremstillet.

Siliciumcarbid skiller sig ud blandt keramik ved at have både elektrisk og termisk ledningsevne. På grund af sin fysiske robusthed, lave varmeudvidelse og modstandsdygtighed over for syrer og lud er siliciumcarbid blevet et yndet materialevalg til ekstreme tekniske anvendelser som pumpelejer, ventiler, sandblæsningsinjektorer, ekstruderingsværktøjer osv. Derudover gør dets halvledende egenskaber det velegnet til elektroniske enheder som dioder og transistorer.

Forskere har udtænkt en teknik, der bruger kulstof til at danne en forbindelse med SiC. Denne forbindelse kan derefter bruges som et isolerende bindemiddel, der producerer et SiC-sintret legeme med lavere dielektrisk konstant. Denne løsning kan vise sig at være mere effektiv end traditionelle bindemidler, som har meget højere dielektriske konstantværdier, der gør dem uegnede til brug i elektroniske enheder; desuden tåler den mere stabile natur gentagen eksponering for høje spændinger uden at tage skade.

Det er en solid

Siliciumcarbid er et fast stof med ekstremt høj varmeledningsevne. På grund af sin lave udvidelseskoefficient og hårdhed er siliciumcarbid et fremragende materialevalg, når det udsættes for ekstreme temperaturer; eksempler er teleskopspejle. Desuden gør dets korrosions- og slidstyrke det velegnet til byggematerialer.

Siliciumcarbids overlegne varmeledningsevne kan tilskrives dets høje Debye-temperatur, som gør det muligt for fononer at bevæge sig frit gennem dets krystal. Når det kombineres med den tilladte driftstemperatur og de høje mætningsstrømme for elektroner, viser siliciumcarbid sig overlegen i forhold til klassiske halvledere til mange vigtige anvendelser.

Siliciumcarbids monokrystallinske struktur kan ændres gennem doping med forskellige elementer for at fremstille polykrystallinske halvledere af forskellig art, herunder nitrogen- eller fosfordoping til n-type doping og beryllium-, bor- eller aluminiumdoping til p-type doping; et sådant dopet siliciumcarbidmateriale er kendt som en sammensat halvleder.

Siliciumcarbid har mange industrielle anvendelser, fra skære- og slibeværktøjer til maling og farvestoffer. Det bruges endda i karborundumtryk - en kunstnerisk form for kollagrafisk tryk, hvor karborundumkorn påføres direkte på en aluminiumsplade og derefter overfarves, hvilket giver et indtryk af tegnede mærker, der presses ned på papir ved hjælp af tryk fra kollagrafiske trykplader. Desuden kan siliciumcarbid også bruges i indeslutningskontrolleret sublimering til at producere grafenfilm af høj kvalitet med en utrolig tæthed, der overgår alt, hvad der kommer ud af andre materialer, der bruges i sublimeringsprocesser, hvilket resulterer i tætte grafenlag med fantastiske egenskaber.

Det er en væske

Siliciumcarbid (SiC) er et ekstremt hårdt keramisk materiale. Det ligger på tredjepladsen efter diamant og kubisk bornitrid på Mohs-skalaen, når det gælder hårdhed. SiC bruges som slibende værktøjsmateriale og belægningsmateriale til skudsikre veste, og ved at slibe og sintre kan man fremstille ultrahårde produkter med en hårdhedsgrad på 9 på Mohs' skala - mere slagfast end aluminiumoxid, men mindre end wolframcarbid.

Det ildfaste materiale, der fås i handelen, er det letteste og hårdeste blandt de tilgængelige valg. Det kan modstå temperaturer fra -700 til 1400 grader C og er meget modstandsdygtigt over for korrosion, samtidig med at det har lave varmeudvidelseshastigheder, høj mekanisk styrke og kemiske inertiegenskaber, der gør det velegnet til kemiske anlæg, møller, ekspandere og ekstrudere.

Siliciumcarbid kan formes til mindre mængder ved tørpresning eller sintring i en vakuumovn, selvom sintrede former foretrækkes på grund af deres bedre fysiske egenskaber og mindre økonomiske produktionsmetoder end bearbejdning. Porøst SiC bør sintres med et tæt bindemiddel for at maksimere de fysiske egenskaber og samtidig forhindre dannelsen af cellestrukturer, der senere vil få det til at revne eller splintre; sådanne metoder er også mere økonomiske end bearbejdningsmetoder. Alternativt kan større mængder også produceres gennem kemisk dampudfældning fra pulver.