Καρβίδιο του πυριτίου - το ελαφρύτερο, σκληρότερο και πιο θερμικά αγώγιμο κεραμικό

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα ελαφρύτερα, σκληρότερα και θερμικά αγώγιμα κεραμικά υλικά που είναι διαθέσιμα σήμερα. Διατηρεί την αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό στα οξέα και τις αλισίβες.

Ο φυσικός μοισσανίτης είναι εξαιρετικά σπάνιος- ως εκ τούτου, το μεγαλύτερο μέρος του εμπορικά διαθέσιμου SiC παράγεται συνθετικά. Έρχεται είτε σε πράσινη μορφή είτε σε μορφή μπισκότου για φρεζάρισμα σε πολύπλοκα σχήματα είτε σε πυροσυσσωματωμένη και συνδεδεμένη με αντίδραση για εφαρμογές πυροσυσσωματωμένης συγκόλλησης.

Θερμική αγωγιμότητα (k)

Η εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου του επιτρέπει να διαχειρίζεται αποτελεσματικά την έντονη θερμότητα που παράγεται από τα εξαρτήματα των ηλεκτρονικών ισχύος, ενώ παράλληλα διαχέει τη θερμότητα Joule λόγω της εσωτερικής αντίστασης και των απωλειών αγωγιμότητας. Επιπλέον, ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής και η σκληρότητά του το καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο για οπτικές εφαρμογές, όπως κάτοπτρα σε αστρονομικά τηλεσκόπια μεγάλης κλίμακας.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένας φωνονικός κρύσταλλος που εμφανίζει ισχυρή εξάρτηση της θερμικής αγωγιμότητάς του (k) από τη θερμοκρασία. Οι καθαροί μονοκρύσταλλοι του SiC μπορούν να επιτύχουν τιμές σε θερμοκρασία δωματίου που υπερβαίνουν τα 490 W m-1K-1. Στα πολυκρυσταλλικά κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου έχει πολύ χαμηλότερες τιμές λόγω προσμίξεων πλέγματος και δομικών ατελειών στα όρια των κόκκων, καθώς επίσης και σε LPSed SiC με πρόσθετα που περιέχουν Al, καθώς αυτό επιτρέπει στα άτομα Al να διαλύονται στους κόκκους SiC και να σχηματίζουν στερεά διαλύματα ή δευτερογενείς φάσεις με μειωμένη αγωγιμότητα.

Οι χύδην κρύσταλλοι 3C-SiC σε κλίμακα γκοφρέτας που αναφέρθηκαν σε αυτή τη μελέτη έχουν ισοτροπικές τιμές k που υπερβαίνουν τα 500 W m-1K-1, περισσότερο από 50% υψηλότερες από τα εμπορικά διαθέσιμα υλικά 6H-SiC και AlN και κατατάσσονται στη δεύτερη θέση μεταξύ των υλικών μεγάλων κρυστάλλων. Οι υψηλές τιμές k στο επίπεδο τους μπορούν να αποδοθούν σε μικρές μέσες ελεύθερες διαδρομές φωνονίων που μετρήθηκαν με τη χρήση μετρήσεων TDTR- η μη μονότονη εξάρτηση από τη θερμοκρασία υποστηρίζει περαιτέρω την ισχυρή τους πρόσμιξη.

Θερμική αγωγιμότητα (T)

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια ανόργανη χημική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα. Βρίσκεται φυσικά ως το σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης, το SiC παρασκευάζεται βιομηχανικά από το 1893 τόσο σε μορφή σκόνης όσο και σε μορφή μονοκρυστάλλου για χρήση ως λειαντικό και κεραμικές πλάκες για εφαρμογές σε φούρνους ημιαγωγών υψηλής πίεσης/θερμοκρασίας, όπως στηρίγματα/επιθέματα δίσκων πλακιδίων κ.λπ. Επιπλέον, η χημική του καθαρότητα, η αντοχή του στη θερμική προσβολή και η αντοχή του σε υψηλότερες θερμοκρασίες έχουν οδηγήσει σε ευρεία χρήση σε ηλεκτρικές διατάξεις όπως τα βαρίστορ (αντιστάσεις μεταβλητής θερμοκρασίας/βαρίστορ/βαρίστορ/κ.λπ.).

Το SiC ξεχωρίζει μεταξύ των βιομηχανικών κεραμικών όπως η αλουμίνα, η ζιρκονία και το διοξείδιο του τιτανίου λόγω της σχετικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του. Όταν μετράται σε θερμοκρασία δωματίου για καθαρό μονοκρυσταλλικό SiC, προσεγγίζει κάπου μεταξύ του διαμαντιού και του χαλκού ως τιμές θερμικής αγωγιμότητας και είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές του πυριτίου.

Το SiC αναφέρεται συχνά ως φωνονικός κρύσταλλος λόγω των χαρακτηριστικών δονητικών τρόπων του. Με χαμηλή μέση ελεύθερη διαδρομή και φωνόνια μικρού μήκους κύματος, η θερμική του αγωγιμότητα τον καθιστά ένα από τα ταχύτερα υλικά μεταφοράς θερμότητας. Ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητά του μπορεί να μειωθεί από προσμίξεις και δομικές ατέλειες στο υλικό του και έχει αποδειχθεί πειραματικά- το φαινόμενο αυτό μπορεί να μοντελοποιηθεί με τη χρήση του μοντέλου Callaway-Holland, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη θερμική αντίσταση που οφείλεται στη στένωση μεταξύ των οπών.

Θερμική αγωγιμότητα (T2)

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα ελαφρύτερα, σκληρότερα και θερμικά πιο αγώγιμα κεραμικά υλικά που είναι διαθέσιμα σήμερα. Είναι χημικά αδρανές στα οξέα, τα αλκάλια και τα λιωμένα άλατα- είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες- διαθέτει εξαιρετική φυσική αντοχή καθώς και χαρακτηριστικά χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας και συντελεστή διαστολής που καθιστούν το καρβίδιο του πυριτίου κατάλληλο για πολλές εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το SiC είναι το ιδανικό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος υψηλής ισχύος, οπτοηλεκτρονικής και κβαντικών υπολογιστών λόγω της απλής κρυσταλλικής δομής του και της εξαιρετικά υψηλής ειδικής θερμότητας- ωστόσο, η τοπική ροή θερμότητας που προκαλείται από αυτές τις τεχνολογίες μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της θερμοκρασίας της συσκευής και υποβάθμιση των επιδόσεων, καθιστώντας τη θερμική διαχείριση μια συνεχή πρόκληση.

Ως εκ τούτου, μια εξαιρετικά αγώγιμη θερμική διεπιφάνεια είναι το κλειδί για την απόδοση των διατάξεων που κατασκευάζονται με SiC. Λόγω της ατομικής διάταξης σε σχήμα ψαροκόκαλου στο υλικό 3C-SiC, η εξαιρετικά υψηλή μέση ελεύθερη διαδρομή φωνονίων (MFP) διευκολύνει την ανώτερη θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς.

Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του CVD SiC είναι ακόμη πιο εντυπωσιακή: παράγεται μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών και διαθέτει μια εξαιρετικά καθαρή κυβική πολυκρυσταλλική δομή με κέντρο την όψη, η θερμική αγωγιμότητά του έχει αναφερθεί ότι είναι έως και δύο φορές υψηλότερη από εκείνη του πυροσυσσωματωμένου ή συνδεδεμένου με αντίδραση SiC: στην πραγματικότητα, το CVD SiC διαθέτει μια από τις υψηλότερες θερμικές αγωγιμότητες μεταξύ των συνθετικά αναπτυγμένων υλικών.

Θερμική αγωγιμότητα (T3)

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό, ανθεκτικό στα χημικά κεραμικό υλικό με εξαιρετικές ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας και αντοχής σε θερμικό σοκ, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών, όπως η κατασκευή ημιαγωγών. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων χρησιμοποιείται εδώ και καιρό σε εφαρμογές στη μεταλλουργία, τα πυρίμαχα υλικά, τα κεραμικά και τις βιομηχανίες ημιαγωγών, καθώς διαθέτει εξαιρετική σκληρότητα αντοχή στην κόπωση καθώς και ιδιότητες χημικής αδράνειας.

Ο μοισσανίτης μπορεί να βρεθεί στη φύση μόνο σε ελάχιστες ποσότητες σε ορισμένους τύπους μετεωριτών και κοιτασμάτων κορούνδιου, αλλά παράγεται εμπορικά σε κλιβάνους. Η ουσία μπορεί να συντεθεί συνθετικά με διάφορες τεχνικές - για παράδειγμα με διάλυση άνθρακα σε λιωμένο πυρίτιο, τήξη πηλού (πυριτικό αργίλιο), μείγμα κοκ και κοκ σε σκόνη, διάλυση άνθρακα σε υγρό πυρίτιο ή τήξη μείγματος πηλού (πυριτικό αργίλιο) με κοκ σε σκόνη- επίσης παράγεται μέσω καύσης σε ηλεκτρικό κλίβανο συνδυασμού πυριτίου-άνθρακα, ο οποίος δίνει το φυσικό του χρώμα που κυμαίνεται από σκούρο καφέ έως μαύρο, αλλά μπορεί επίσης να βαφτεί μπλε για πώληση ως πολύτιμος λίθος με την ονομασία μοισσανίτης.

Το 3C-SiC παρουσιάζει σχετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα περίπου 620 Wm-1 K-1, σχεδόν δεκαπλάσια από εκείνη του διαμαντιού. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στο σχετικά χαμηλό ποσοστό διάχυτης επιφανειακής σκέδασης που περιορίζει την MFP των φωνονίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Επιπλέον, οι κατανομές των μεμβρανών και των νανοσυρμάτων που μετρήθηκαν εδώ απεικονίστηκαν ως προς τις οριακές τους διαστάσεις για να δείξουν ότι συμπίπτουν με τις τιμές που προκύπτουν μέσω των αθροιστικών συναρτήσεων MFP χύδην41 και 42.