Θερμική αγωγιμότητα καρβιδίου πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου, ή καρβορουνδίου (), είναι ένα σκληρό κεραμικό που κατασκευάστηκε για πρώτη φορά μαζικά το 1893 για χρήση ως λειαντικό. Ενώ υπάρχουν φυσικές περιπτώσεις (πολύτιμοι λίθοι μοισσανίτη και μικρές ποσότητες ως πυριγενές πέτρωμα που ονομάζεται κορούνδιο), η περισσότερη σύγχρονη χρήση γίνεται συνθετικά.

Το SiC είναι γνωστό ότι παρουσιάζει υψηλή αντοχή στην κόπωση, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλό συντελεστή διαστολής, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για κατασκευή ώστε να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και να παραμένει ισχυρό σε διαβρωτικά περιβάλλοντα.

Θερμοφυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα λίγα υλικά με υψηλή θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Λόγω της σκληρής, άκαμπτης και σταθερής στη θερμοκρασία φύσης του, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για τη χρήση σε κάτοπτρα τηλεσκοπίων που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι.

Η θεωρία λειτουργιών πυκνότητας χρησιμοποιήθηκε για συστηματικές θεωρητικές έρευνες των δομικών παραμέτρων και των θερμοφυσικών ιδιοτήτων πεπερασμένης θερμοκρασίας του κυβικού καρβιδίου του πυριτίου (3C-SiC). Τα αποτελέσματά μας σχετικά με τις ελαστικές σταθερές και τη μικροσκληρότητα Knoop έδειξαν ικανοποιητική συμφωνία με πειραματικά δεδομένα καθώς και με υπολογιστικά ευρήματα που έχουν δημοσιευθεί αλλού.

Χρησιμοποιώντας βελτιστοποιημένα μοντέλα δομής, λάβαμε επίσης εκτιμήσεις σε ατομικό επίπεδο για τις ενέργειες σχηματισμού ατελειών για ZrC, TiC και SiC χρησιμοποιώντας βελτιστοποιημένα μοντέλα δομής. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι η θερμοκρασία Debye μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των ατόμων ατελειών, ενώ οι ατέλειες CZr antisite και VC παρουσιάζουν χαμηλότερες ενέργειες σχηματισμού από τις αντίστοιχες ατέλειες VSi και Sit. η μείωση της ενέργειας σχηματισμού τους μπορεί να επηρεάσει την αντοχή έναντι μονοαξονικής και διατμητικής παραμόρφωσης των δομών 3C-SiC.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα πιο σκληρά και θερμικά αγώγιμα υλικά που υπάρχουν στη φύση, το οποίο αντιστέκεται στις επιθέσεις οξέων και αλκαλίων, ενώ είναι ανθεκτικό στη θερμότητα έως και 1600 βαθμούς Κελσίου χωρίς απώλεια αντοχής. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετικό ηλεκτρικό αγωγό.

Το ευρύ χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε διατάξεις ημιαγωγών όπως δίοδοι, τρανζίστορ και θυρίστορ, ενώ η ικανότητά του να αντέχει μεγάλες τάσεις και ρεύματα το καθιστά χρήσιμο και σε διατάξεις ισχύος υψηλής ισχύος.

Το πορώδες SiC μπορεί να τροποποιηθεί με την προσθήκη νανοπλακετών γραφενίου (GNPs), δημιουργώντας ένα υλικό με βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες. Το υλικό αυτό μπορεί να κατασκευαστεί μέσω πυροσυσσωμάτωσης πλάσματος σπινθήρα υγρής φάσης είτε στοιχειομετρικής είτε μη στοιχειομετρικής σκόνης SiC- δοκιμάστηκαν διάφοροι συνδυασμοί βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης (Y2O3 και La2O3) για να εκτιμηθούν οι επιδράσεις τους στη σύνθεση φάσεων, τη μικροδομή και τη θερμική αγωγιμότητα πορωδών υλικών με περιεκτικότητα έως 20 vol% GNPs- παρατηρήθηκε μη μονότονη εξάρτηση από τη θερμοκρασία με σύνθετα υλικά που περιείχαν περιεκτικότητα έως 20% GNPs.

Μηχανικές ιδιότητες

Η μοναδική σύνθεση του SiC από άτομα πυριτίου και άνθρακα στο κρυσταλλικό του πλέγμα του προσδίδει αξιοσημείωτες μηχανικές ιδιότητες που το καθιστούν ένα από τα πιο ανθεκτικά και σκληρά κεραμικά υλικά. Η υψηλή αντοχή στη διάβρωση από οξέα, αλισίβες, λιωμένα άλατα καθώς και στην τριβή- η ακαμψία και η αντοχή καθιστούν το SiC μια ελκυστική επιλογή υλικού για εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά, όπως τροχοί λείανσης ή τρυπάνια σε μύλους, διαστολείς ή εξωθητές.

Εκτός από ελαφρύ, το κεραμικό υλικό παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ - μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως και 1600degC χωρίς να χάσει τις μηχανικές του ιδιότητες ή τη θερμική του διαστολή, με χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής και εξαιρετικά υψηλό μέτρο ελαστικότητας Young που παρέχει σταθερότητα διαστάσεων.

Το πορώδες στα πορώδη κεραμικά SiC ποικίλλει ανάλογα με τη μέθοδο σχηματισμού τους (συγκόλληση με αντίδραση ή πυροσυσσωμάτωση). Μελέτες έχουν δείξει ότι τόσο η ηλεκτρική αγωγιμότητα όσο και η αντοχή σε κάμψη αυξάνονται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε B4C λόγω της ικανότητάς του να προσροφά οξυγόνο από τα υλικά της μήτρας Si-C και να μειώνει έτσι το μήκος σκέδασης φωνονίων.

Εφαρμογές

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται τόσο ως λειαντικό όσο και ως κοπτικό εργαλείο στην κατασκευή. Λόγω της σκληρής και ανθεκτικής στη θερμότητα επιφάνειάς του, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να βρεθεί ως ηλεκτρονικός ημιαγωγός σε διόδους και τρανζίστορ, καθώς η ανοχή του στην τάση μπορεί να ξεπεράσει εκείνη του πυριτίου.

Η σκληρότητα, η αντοχή στη διάβρωση και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστούν εξαιρετικό υλικό για προστατευτικό εξοπλισμό, όπως κράνη και θωρακισμένες πλάκες. Επιπλέον, η χημική του αδράνεια σημαίνει ότι δεν αντιδρά με το νερό, καθιστώντας το ιδανικό για χρήση σε περιβάλλοντα με υψηλή υγρασία, όπως διαστημόπλοια και θαλάσσια περιβάλλοντα.

Το ανακρυσταλλωμένο καρβίδιο του πυριτίου (RSiC) διαθέτει ένα απαράμιλλο μείγμα μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων από οποιαδήποτε άλλη παραλλαγή SiC. Η πυκνή μικροδομή του προσδίδει στο RSiC χαμηλό συντελεστή διαστολής, διατηρώντας παράλληλα αντοχή και ακαμψία σε υψηλές θερμοκρασίες- επιπλέον, εμφανίζει σχετικά υψηλότερες τιμές μέτρου ελαστικότητας από το δομικό κεραμικό ζιρκονίας και έχει χαμηλές τιμές συντελεστή θερμικής διαστολής σε σύγκριση με το δομικό κεραμικό ζιρκονίας.