Θερμική αγωγιμότητα καρβιδίου πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα πιο σκληρά και ανθεκτικά προηγμένα κεραμικά υλικά. Μπορεί να διατηρήσει την αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ παράλληλα προσφέρει αντοχή σε οξέα, αλκάλια και λιωμένα άλατα.

Το CVD SiC, που παράγεται μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών, είναι μια εξαιρετικά καθαρή μορφή με ανώτερη θερμική αγωγιμότητα από το συσσωματωμένο ή συνδεδεμένο με αντίδραση SiC.

Είναι ένας ημιαγωγός

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένας ανόργανος ημιαγωγός με εξαγωνική δομή και ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Η χημική του σύνθεση περιλαμβάνει τρία άτομα πυριτίου συνδεδεμένα με ένα άτομο άνθρακα, καθιστώντας το υλικό εξαιρετικά ανθεκτικό και ικανό να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις, καθώς και σε ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία από το παραδοσιακό πυρίτιο. Το SiC μπορεί να αντέξει υψηλότερες θερμοκρασίες από το αντίστοιχο υλικό με βάση το πυρίτιο λόγω του μεγάλου χάσματος ζώνης του.

Σε υψηλές θερμοκρασίες, είναι ανθεκτικά σε χημικές επιθέσεις, ενώ το υψηλό μέτρο ελαστικότητας Young τα καθιστά κατάλληλα για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Οι χαμηλές απώλειες μεταγωγής τους και ο γρήγορος χρόνος ανάστροφης αποκατάστασης επιτρέπουν υψηλές τάσεις ενεργοποίησης με ελάχιστες απώλειες μεταγωγής για γρήγορες ταχύτητες μεταγωγής- καθιστώντας αυτή τη διάταξη εξαιρετική αντικατάσταση των IGBT ή των διπολικών τρανζίστορ σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλές τάσεις διάσπασης.

Πρόσφατα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Maryland ανέφερε υψηλές τιμές ισοτροπικής θερμικής αγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου για πυκνούς κρυστάλλους 3C-SiC σε κλίμακα πλακιδίου σε θερμοκρασία δωματίου- τα αποτελέσματα αυτά είναι πάνω από 50% υψηλότερα από τα εμπορικά διαθέσιμα 6H-SiC και AlN. Η αυξημένη αγωγιμότητα αποδόθηκε σε άφθονη περιεκτικότητα νανοπλακιδίων γραφενίου ευθυγραμμισμένων παράλληλα και κάθετα στους άξονες συμπίεσης του SPS εντός του υλικού της μήτρας τους.

Το καρβίδιο του πυριτίου υπερέχει στην απαγωγή θερμότητας, γεγονός που περιορίζει τη μέγιστη θερμοκρασία και τάση λειτουργίας του. Χάρη στην αντοχή του στη διάβρωση και στο θερμικό σοκ, καθώς και στην υψηλή μηχανική αντοχή και τον χαμηλό συντελεστή διαστολής, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως στήριγμα δίσκου πλακιδίων και ως μαξιλαράκια σε κλιβάνους ημιαγωγών, καθώς και για ελεγκτές θερμοκρασίας και βαρίστορ αντίστοιχα.

Είναι μονωτής

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως υλικό ημιαγωγών σε ηλεκτρονικές συσκευές. Είναι σκληρό, ισχυρό και ανθεκτικό- ανθεκτικό στη διάβρωση- έχει υψηλό σημείο τήξης- αντέχει σε υψηλές τάσεις και θερμοκρασίες- γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το SiC μπορεί να βρεθεί φυσικά σε κοσμήματα μοισσανίτη καθώς και σε μικρές ποσότητες που βρίσκονται μέσα σε μετεωρίτες, κοιτάσματα κορούνδιο και κιμπερλίτη- ωστόσο το μεγαλύτερο μέρος του καρβιδίου του πυριτίου που πωλείται παγκοσμίως παρασκευάζεται συνθετικά.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει μεταξύ των κεραμικών, καθώς διαθέτει τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική αγωγιμότητα. Λόγω της φυσικής του στιβαρότητας, του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής και της αντοχής του στα οξέα και τις αλισίβες, το καρβίδιο του πυριτίου έχει γίνει μια αγαπημένη επιλογή υλικού για ακραίες μηχανολογικές εφαρμογές, όπως ρουλεμάν αντλιών, βαλβίδες, εγχυτήρες αμμοβολής, μήτρες εξώθησης κ.λπ. Επιπλέον, οι ημιαγώγιμες ιδιότητές του το καθιστούν κατάλληλο για ηλεκτρονικές συσκευές όπως δίοδοι και τρανζίστορ.

Οι επιστήμονες επινόησαν μια τεχνική που χρησιμοποιεί τον άνθρακα για να σχηματίσει μια ένωση με το SiC. Αυτή η ένωση μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως μονωτικό συνδετικό υλικό, παράγοντας ένα πυροσυσσωματωμένο σώμα SiC με χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά. Η λύση αυτή μπορεί να αποδειχθεί πιο αποτελεσματική από το παραδοσιακό συνδετικό υλικό, το οποίο έχει πολύ υψηλότερες τιμές διηλεκτρικής σταθεράς που τα καθιστούν ακατάλληλα για χρήση σε ηλεκτρονικές συσκευές- επιπλέον, η πιο σταθερή φύση του αντέχει την επανειλημμένη έκθεση σε υψηλές τάσεις χωρίς βλάβη.

Είναι ένα στερεό

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα στερεό με εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Λόγω του χαμηλού συντελεστή διαστολής και της σκληρότητάς του, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού όταν εκτίθεται σε ακραίες θερμοκρασίες- παραδείγματα αποτελούν τα κάτοπτρα τηλεσκοπίων. Επιπλέον, η αντοχή του στη διάβρωση και την τριβή το καθιστά κατάλληλο για δομικά υλικά.

Η ανώτερη θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να αποδοθεί στην υψηλή θερμοκρασία Debye, η οποία επιτρέπει στα φωνόνια να κινούνται ελεύθερα μέσα στον κρύσταλλό του. Σε συνδυασμό με την επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας του και τα υψηλά ρεύματα κορεσμού των ηλεκτρονίων, το καρβίδιο του πυριτίου αποδεικνύεται ανώτερο από τους κλασικούς ημιαγωγούς για πολλές σημαντικές εφαρμογές.

Η μονοκρυσταλλική δομή του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να τροποποιηθεί μέσω ντοπαρίσματος με διάφορα στοιχεία για την παραγωγή πολυκρυσταλλικών ημιαγωγών διαφόρων ειδών, όπως ντοπάρισμα αζώτου ή φωσφόρου για ντοπάρισμα τύπου n και ντοπάρισμα βηρυλλίου, βορίου ή αλουμινίου για ντοπάρισμα τύπου p. Ένα τέτοιο υλικό καρβιδίου του πυριτίου με ντοπάρισμα είναι γνωστό ως σύνθετος ημιαγωγός.

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολλές βιομηχανικές χρήσεις, από εργαλεία κοπής και λείανσης μέχρι χρώματα και βαφές. Χρησιμοποιείται ακόμη και στη χαρακτική με καρβουντούχο υλικό - μια καλλιτεχνική μορφή εκτύπωσης κολλάγραφου, κατά την οποία ο κόκκος καρβουντούχου υλικού εφαρμόζεται απευθείας σε μια πλάκα αλουμινίου και στη συνέχεια με μελάνι, δίνοντας την εντύπωση των σχεδιασμένων σημάτων που πιέζονται στο χαρτί με την πίεση από τις πλάκες εκτύπωσης κολλάγραφου. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ελεγχόμενη εξάχνωση με περιορισμό για την παραγωγή υψηλής ποιότητας φιλμ γραφενίου με απίστευτη πυκνότητα που ξεπερνούν οτιδήποτε προέρχεται από οποιοδήποτε άλλο υλικό χρησιμοποιείται κατά τις διαδικασίες παραγωγής εξάχνωσης, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα πυκνά στρώματα γραφενίου με φανταστικές ιδιότητες.

Είναι ένα υγρό

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό κεραμικό υλικό. Κατατάσσεται στην τρίτη θέση μετά το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του βορίου στην κλίμακα Mohs όσον αφορά τη σκληρότητα. Το SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό λείανσης εργαλείων και υλικό επικάλυψης αλεξίσφαιρων γιλέκων, ενώ οι κατασκευές που γίνονται με λείανση και πυροσυσσωμάτωση μπορούν να παράγουν εξαιρετικά σκληρά προϊόντα με επίπεδο σκληρότητας 9 στην κλίμακα Mohs - πιο ανθεκτικό στις κρούσεις από το οξείδιο του αλουμινίου αλλά λιγότερο από το καρβίδιο του βολφραμίου.

Το πυρίμαχο υλικό που διατίθεται στο εμπόριο είναι το ελαφρύτερο και σκληρότερο από τις διαθέσιμες επιλογές. Ικανό να αντέχει σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -700 έως 1400 βαθμούς C, είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση, ενώ διαθέτει χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής, υψηλή μηχανική αντοχή και ιδιότητες χημικής αδράνειας που το καθιστούν κατάλληλο για χημικές εγκαταστάσεις, μύλους, διογκωτήρες και εξηλαστές.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να διαμορφωθεί σε μικρότερες ποσότητες με ξηρή συμπίεση σε μέγεθος ή με πυροσυσσωμάτωση σε κλίβανο κενού, αν και οι πυροσυσσωματωμένες μορφές προτιμώνται λόγω των καλύτερων φυσικών ιδιοτήτων τους και των λιγότερο οικονομικών μεθόδων παραγωγής σε σχέση με την κατεργασία. Το πορώδες SiC θα πρέπει να πυροσυσσωματώνεται με πυκνό συνδετικό υλικό για να μεγιστοποιηθούν οι φυσικές ιδιότητες, ενώ παράλληλα αποτρέπεται ο σχηματισμός κυτταρικών δομών που θα το ράγιζαν ή θα το θρυμματίζανε αργότερα- οι μέθοδοι αυτές είναι επίσης πιο οικονομικές από τις μεθόδους κατεργασίας. Εναλλακτικά, μεγαλύτεροι όγκοι μπορούν επίσης να παραχθούν μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών από σκόνη.