Piikarbidi Timantti

Piikarbidi on erittäin kovaa, mutta silti vähemmän kovaa kuin timantti. Se on kuitenkin edelleen toiseksi kovin materiaali.

Huokoisiin hiilisidoksisiin timanttiesimuotteihin infiltroidaan piitä kapillaarivoiman avulla sen sulamispisteen ylittävissä lämpötiloissa, jolloin hiilisideaine muuttuu grafiitiksi.

Lämmönjohtavuus

Piikarbiditimantti on erittäin korkean lämpötilan materiaali, jolla on erinomainen lämmönjohtavuus ja jota käytetään laajalti sähkö-, elektroniikka- ja teollisuustekniikan aloilla. Käyttökohteita ovat esimerkiksi puolijohteiden, transistorien ja teholedien jäähdytys ja lämmitys sekä LED-näyttöjen valaistussovellukset. SiC/timantti-komposiittien lämmönjohtavuus riippuu useista tekijöistä, kuten timantin määrästä ja koosta, sideainemateriaalin koostumuksesta ja komponenttien välisten rajapintojen rakenteesta sekä grafiittisen välikerroksen vaikutuksesta tämän materiaalin lämmönjohtavuuteen.

Viime vuosikymmenestä lähtien erittäin kulutusta kestävien materiaalien, joilla on erinomainen lämmönjohtavuus, luominen on ollut jatkuva tutkimus- ja kehitystyön tavoite. "Piikarbiditimantti"-materiaaleja voidaan valmistaa infiltroimalla nestemäistä piitä kapillaarivoimien avulla yli 1425 celsiusasteen lämpötiloissa, jolloin muodostuu kuutiomaisia b-SiC-rakenteita, jotka voisivat korvata perinteisiä teräsmateriaaleja laakereina, tiivisteinä tai sisäpinnoilla teollisissa sovelluksissa.

SiC/diamantti-komposiittien optimaalisen lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi voidaan lämmönjohtavuuden lisäämiseksi käyttää erikokoisten ja -fraktioisten timanttirakeiden bimodaalista jakaumaa. Bimodaaliset järjestelmät tarjoavat huomattavasti suuremman lämmönjohtavuuden kuin monomodaaliset järjestelmät, koska timanttijyvästen ja niiden b-SiC-matriisimateriaalin isäntämatriisin välissä on grafiittiatomikerroksia.

Lisäksi grafiittiatomikerrokset on kohdistettu kohtisuoraan rajapintaan nähden, jolloin syntyy bimodaalisia järjestelmiä, joilla on suhteellisen suuri pinta-ala, mikä lisää lämmönjohtavuutta. Lämmönjohtavuus kasvaa entisestään, jos timantti sintrataan korkeammissa lämpötiloissa tai sitä pidetään lyhyempiä pitoaikoja pii-infiltraation aikana - jolloin se ylittää puhtaan b-SiC:n lämmönjohtavuuden! Lisäksi materiaalien lämmönjohtavuus riippuu myös vapaan piin ja timantin määrästä.

Kovuus

Piikarbidin, joka koostuu pii- ja hiiliatomeista, Mohsin kovuus on erinomainen 9,5, ja se on näin ollen timantin jälkeen toiseksi kovin. Lujuutensa ja kestävyytensä ansiosta piikarbidilla on lukuisia teollisia käyttötarkoituksia.

Piikarbidilla on monia samoja ominaisuuksia kuin timantilla, kuten tetraedrinen kiderakenne - neljä atomia kustakin alkuaineesta jakaa yhden kasvokeskisen kuutioruudun muodostaen vahvoja kovalenttisia sidoksia, jotka ovat samanlaisia kuin timantin vahvat tetraedriset sidokset - sekä korkea vetolujuus ja alhainen kitkakerroin, mikä tekee molemmista materiaaleista erinomaisia työkappaleiden materiaaleja.

Piikarbidia voidaan valmistaa useilla eri tekniikoilla, ja synteettistä piikarbidia valmistetaan sulattamalla kvartsihiekkaa, petrolikoksia (tai hiilikoksia), puuhaketta tai muita raaka-aineita korkean lämpötilan uuneissa. Kun piikarbidi on saatu aikaan, se on kovaa, sillä on korkea sulamispiste ja se kestää hapettumista jopa äärimmäisissä lämpötilaolosuhteissa.

Piikarbidilla on monia käytännön käyttötarkoituksia teollisuudessa. Yksi tällainen sovellus on hioma-aineissa. Poikkeuksellisen kestävyytensä ja lujuusominaisuuksiensa ansiosta piikarbidi on välttämätön osa hiomapapereita, hiomalaikkoja ja leikkaustyökaluja. Piikarbidia käytetään myös eristyskomponenttina teollisuusuuneissa, kulumista kestävinä osina pumpuissa ja rakettimoottoreissa sekä puolijohtavina substraatteina, joita käytetään valodiodien (LED) valmistuksessa.

Piikarbidin valmistukseen on olemassa erilaisia menetelmiä. Perinteisissä menetelmissä käytetään sintrausprosessia, jossa jauhemainen pii ja hiili yhdistetään korkeapaineisessa sulassa, jolloin syntyy sintrattu piikarbidilohko, joka voidaan sitten leikata haluttuun muotoon ja kokoon. Toinen vaihtoehto on nestemäisen piin reagoiminen huokoisen grafiitin kanssa; tällöin syntyy mustaa synteettistä moissaniittia, jolla on joitakin samoja mekaanisia ominaisuuksia mutta joka ei ole yhtä kallista.

Erityisesti tuotettujen piikarbidiin sidottujen timanttimateriaalien, joiden rajapinnassa on grafiittisia välikerroksia, on havaittu olevan poikkeuksellisen lujia ja ylittävän jopa grafiittivapaiden timantti/SiC-rajapintojen lujuudet, vaikka on epäselvää, johtuuko tämä rajapinnan grafiittikerroksista.

Kemiallinen stabiilisuus

Piikarbiditimantit ovat erittäin kestäviä materiaaleja, joilla on erinomainen kemiallinen stabiilisuus, joten ne soveltuvat kulumissovelluksiin, kuten tiivisteisiin, inlinereihin ja suuttimiin. Lisäksi nämä timantit ovat erinomaisia leikkaustyökaluja. Vahvan kiderakenteensa ja hyvien kovuusominaisuuksiensa ansiosta piikarbiditimanttien työstäminen on suhteellisen yksinkertaista verrattuna moniin muihin koviin materiaaleihin, ja niillä on myös alhainen kitkakerroin, mikä tekee niistä sopivia teollisiin käyttötarkoituksiin.

Piikarbiditimantit ovat kehittyneet nopeasti, koska kulumiskestävyysvaatimukset ovat kasvaneet. Piikarbidia, hiilestä ja piistä koostuvaa epäorgaanista yhdistettä, jolla on kuusikulmainen kiderakenne, voidaan valmistaa eri muotoisena ja kokoisena. Edward Goodrich Acheson loi ensimmäisen piikarbidiyhdisteen vuonna 1891 kuumentamalla savea ja jauhemaista koksia yhdessä rautakupissa, kunnes muodostui sinisiä kiteitä, joita kutsuttiin karborundumiksi - Acheson uskoi, että tämä materiaali olisi arvokkaampaa kuin hiili, koska siitä voitaisiin valmistaa metalleja.

Piikarbidi eroaa puhtaasta timantista huomattavasti siinä, että se on vakaampi korkeissa lämpötiloissa, sillä on alhainen kitkakerroin ja se on huomattavasti halvempi. Siksi piikarbidista on tullut ensisijainen materiaali teollisiin käyttötarkoituksiin.

Kun a-Si3N4-pohjajauhetta käytetään timantti-siC-esimuottien alustana, se estää piikarbidin muodostumisen ja korporaatiokerrosten muodostumisen, mikä lisää huomattavasti timantti-siC-rajapinnan lujuutta verrattuna tavanomaisiin näytteisiin, jotka on upotettu sulaan piihin.

Näiden rajapintojen tarkka luonne on kuitenkin vielä suurelta osin selvittämättä. Se voi johtua grafiittitasojen välisistä heikommista sidoksista tai rajapinnan eri faaseista, joiden täydellinen ymmärtäminen edellyttää lisätutkimuksia.

Energiadispersiivistä röntgenspektrometriaa (EDX) käytettiin atomitiheysjakauman arvioimiseksi 3 C-SiC/diamondimateriaalista valmistetussa amorfisessa kerroksessa. Hiili- ja piiatomien intensiteettiprofiileissa havaittiin asteittaista vähenemistä lähellä niiden sidoksissa olevaa rajapintaa, ja hiilen kohdalla kaltevuus ei ollut yhtä jyrkkä. Pii osoitti hieman koveria tiheysprofiileja, kun taas hiilen tiheysprofiilit olivat asteittaisempia.

Mikrorakenne

Timantit ovat luonnonjalokiviä, jotka ovat muodostuneet miljoonien vuosien aikana, mutta niiden valmistus voidaan tehdä synteettisesti paljon halvemmalla laboratoriossa. Piikarbidi, toinen synteettinen jalokivi, jolla on samanlaiset ominaisuudet mutta paljon alhaisemmat kustannukset, on paljon kestävämpi ja kustannustehokkaampi. Korkean taitekertoimensa ansiosta se heijastaa valoa tehokkaammin kuin muut jalokivet, ja kestävyytensä ansiosta se soveltuu jokapäiväiseen käyttöön. Lisäksi sen alhainen sulamispiste tarkoittaa, että se kestää korkeita lämpötiloja ja kemikaaleja murtumatta paineen alla.

Timantti-piikarbidikomposiittien mikrorakenne koostuu tyypillisesti toisiinsa tunkeutuvista kolmiulotteisista verkostoista, jotka koostuvat SiC:stä ja timantista. Hiukkaskoko ja morfologia määräävät kolmoisliitoksen piikarbidien lopullisen rakenteen; tyypillisesti grafiittiset rajapinnan atomikerrokset suuntautuvat kohtisuoraan timantti/SiC-pintaa kohti muodostaen sen kanssa tiukkoja sidoksia - niiden paksuus on tyypillisesti paljon pienempi kuin piikarbidiatomien ja timanttiatomikerrosten välisen sidoksen pituus.

Piikarbiditimantin optimaalisen lämmönjohtavuuden kannalta on ratkaisevan tärkeää ymmärtää, miten sen atomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Synkrotroniröntgensäteen avulla voidaan tutkia timantin ja piikarbidin rajapintoja ja niiden rakenneparametreja sekä niiden vuorovaikutusta. Tulokset osoittivat, että hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat heikkoja; timantin ja SiC-hiukkasten välisillä kontaktialueilla on lasimaisia hiilikerroksia, grafiittisia rajakerroksia ja mikrohuokosia, mikä on osoitus timantin heikosta lämmönjohtavuudesta.

SiC ja timantti ovat läheisessä vuorovaikutuksessa keskenään, mutta sen lujuus riippuu myös sen mikrorakenteesta. Mikrorakenne koostuu timantti- ja piikarbidihiukkasten kolmiulotteisesta verkostosta, jonka koko pinta-alalla on vain minimaalinen grafiittinen välikerrospeitto; lisäksi mikrorakenne määrittää myös mekaaniset ominaisuudet, kuten murtumiskestävyyden.

Cantilever-näytteen lujuus kasvaa, kun useampi timantti/SiC-rajapinta kallistuu kohti sen kuormitettua päätä, kuten rinnakkaisten rajapintojen molekyylidynamiikkasimulaatiot osoittavat. Näyte, jonka kallistus on 40 nanometriä, on osoittautunut erityisen vahvaksi.