Szilícium-karbid hővezető képesség

A szilíciumkarbid vagy karborundum () egy kemény kerámia, amelyet először 1893-ban állítottak elő tömegesen csiszolóanyagként való felhasználásra. Bár természetes előfordulása létezik (moissanit drágakövek és kis mennyiségben korundnak nevezett vulkáni kőzet), a legtöbb modernkori felhasználás szintetikus úton történik.

A SiC-ről ismert, hogy nagy fáradási ellenállással, magas hővezető képességgel és alacsony tágulási együtthatóval rendelkezik; így alkalmas a gyártásra, hogy ellenálljon a magas hőmérsékleteknek, miközben korróziós környezetben is erős marad.

Termofizikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid egyike azon kevés anyagoknak, amelyek szobahőmérsékleten nagy hővezető képességgel rendelkeznek. Kemény, merev és hőmérséklet-stabil természete miatt a szilíciumkarbid kiváló anyag a csillagászok által használt távcsőtükrökben való felhasználásra.

A sűrűségfüggvény-elméletet használták a köbös szilíciumkarbid (3C-SiC) szerkezeti paramétereinek és véges hőmérsékletű termofizikai tulajdonságainak szisztematikus elméleti vizsgálatára. A rugalmassági állandókra és a Knoop-mikrokeménységre vonatkozó eredményeink kielégítő egyezést mutattak a kísérleti adatokkal, valamint a máshol publikált számított eredményekkel.

Optimalizált szerkezeti modellek alkalmazásával a ZrC, TiC és SiC hibaképződési energiáinak atomi szintű becslését is megkaptuk. Az eredmények azt mutatták, hogy a Debye-hőmérséklet csökken a hibaatomok számának növekedésével, míg a CZr antiszit és a VC hibák alacsonyabb képződési energiát mutatnak, mint a VSi és Sit hibák; a képződési energia csökkenése hatással lehet a 3C-SiC szerkezetek egytengelyű és nyírási deformációval szembeni ellenállására.

Elektromos tulajdonságok

A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb és leghővezetőbb anyag, amely a természetben megtalálható, ellenáll a savak és a lúgok támadásainak, miközben szilárdságvesztés nélkül 1600 °C-ig hőálló. A szilíciumkarbid továbbá kiváló elektromos vezető.

A szilícium-karbid széles sávszélessége alkalmassá teszi a félvezető eszközökben, például diódákban, tranzisztorokban és tirisztorokban való felhasználásra, míg a nagy feszültségek és áramok elviselésére való képessége a nagy teljesítményű teljesítményű eszközökben is hasznossá teszi.

A porózus SiC grafén nanoplateletek (GNP-k) hozzáadásával megváltoztatható, és így egy olyan anyagot hoz létre, amely fokozott hőtani tulajdonságokkal rendelkezik. Ez az anyag sztöchiometrikus vagy nem sztöchiometrikus SiC por folyadékfázisú szikraplazmaszinterezésével állítható elő; a szinterelést segítő anyagok (Y2O3 és La2O3) különböző kombinációit vizsgálták, hogy értékeljék a fázisösszetételre, mikroszerkezetre és hővezető képességre gyakorolt hatásukat a legfeljebb 20 térfogatszázalékos GNP-tartalmú porózus anyagokban; a legfeljebb 20% GNP-tartalmú kompozitoknál nem monoton hőmérsékletfüggést figyeltek meg.

Mechanikai tulajdonságok

A SiC kristályrácsában lévő szilícium- és szénatomok egyedülálló összetétele figyelemre méltó mechanikai tulajdonságokkal ruházza fel, amelyek az egyik legkeményebb és legkeményebb kerámiaanyaggá teszik. Rendkívül ellenáll a savak, lúgok, olvadt sók okozta korróziónak, valamint a kopásnak; merevsége és szilárdsága miatt a SiC vonzó anyagválasztás a kopásálló alkatrészek, például a malmokban, expanziós vagy extrudáló berendezésekben használt csiszolókorongok vagy fúrószárak számára is.

A könnyű súly mellett a kerámia anyag kiváló hősokkállóságot mutat - akár 1600 fokos hőmérsékletet is kibír anélkül, hogy mechanikai tulajdonságait vagy hőtágulását elveszítené, alacsony hőtágulási rátával és kivételesen magas Young-modullal, amely biztosítja a méretstabilitást.

A porózus SiC-kerámiák porozitása a kialakításuk módjától (reakciókötés vagy szinterezés) függően változik. Tanulmányok kimutatták, hogy mind az elektromos vezetőképesség, mind a hajlítószilárdság nő a B4C-tartalom növekedésével, ami annak köszönhető, hogy képes oxigént adszorbeálni a Si-C mátrixanyagból, és így csökkenti a fononok szórási hosszát.

Alkalmazások

A szilíciumkarbidot csiszolóanyagként és vágószerszámként egyaránt használják a gyártásban. Kemény és hőálló felülete miatt a szilíciumkarbid elektronikus félvezetőként is megtalálható a diódákban és tranzisztorokban, mivel feszültségtűrése meghaladja a szilíciumét.

A szilíciumkarbid keménysége, korrózióállósága és magas hővezető képessége miatt kiváló anyag az olyan védőfelszerelésekhez, mint a sisakok és páncéllemezek. Továbbá, kémiai inertitása azt jelenti, hogy nem lép reakcióba a vízzel, így ideális a magas páratartalmú környezetben, például űrhajókon és tengeri környezetben történő felhasználásra.

Az átkristályosított szilíciumkarbid (RSiC) a mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságok páratlan keverékével büszkélkedhet, mint bármely más SiC-változat. Sűrű mikroszerkezete alacsony tágulási együtthatót biztosít az RSiC-nek, miközben magas hőmérsékleten is megőrzi szilárdságát és merevségét; emellett viszonylag magasabb rugalmassági modulus értékeket mutat, mint a szerkezeti cirkónium-dioxid kerámia, és a szerkezeti cirkónium-dioxid kerámiához képest alacsony hőtágulási együttható értékekkel rendelkezik.