Berlian Silikon Karbida

Silikon karbida sangat keras, namun masih kalah keras dari berlian. Namun masih menempati peringkat kedua sebagai bahan yang sangat keras.

Bentuk awal berlian berikat karbon berpori mengalami infiltrasi dengan menanamkan silikon melalui gaya kapiler pada suhu yang melebihi titik lelehnya, di mana pengikat karbon berubah menjadi grafit.

Konduktivitas Termal

Intan silikon karbida adalah bahan bersuhu sangat tinggi dengan konduktivitas termal yang sangat baik, yang digunakan secara luas di seluruh bidang kelistrikan, elektronik, dan teknik industri. Aplikasi termasuk pendinginan dan pemanasan semikonduktor, transistor, dan LED daya serta aplikasi pencahayaan layar LED. Konduktivitas termal untuk komposit SiC/berlian tergantung pada beberapa faktor termasuk jumlah dan ukuran berlian, komposisi bahan pengikat dan struktur antarmuka antar komponen serta dampak interlayer grafit terhadap konduktivitas termal bahan ini.

Sejak dekade terakhir, menciptakan material yang sangat tahan aus dengan konduktivitas termal yang sangat baik telah menjadi tujuan penelitian dan pengembangan yang berkelanjutan. Material "silikon karbida berlian" dapat diproduksi melalui infiltrasi silikon cair melalui gaya kapiler pada suhu melebihi 1425 derajat Celsius untuk membentuk struktur b-SiC kubik yang dapat menggantikan material baja tradisional sebagai bantalan, seal, atau inliner dalam aplikasi industri.

Untuk konduktivitas termal yang optimal dalam komposit SiC/berlian, distribusi bimodal butiran berlian dengan berbagai ukuran dan fraksi dapat digunakan untuk meningkatkan konduktivitas termal. Sistem bimodal menawarkan konduktivitas termal yang jauh lebih besar dibandingkan dengan sistem monomodal karena memiliki lapisan atom grafit antara butiran berlian dan matriks inangnya dari bahan matriks b-SiC.

Selain itu, lapisan atom grafit disejajarkan secara tegak lurus dengan antarmuka, menciptakan sistem bimodal dengan luas permukaan yang relatif besar yang meningkatkan konduktivitas termal. Konduktivitas termal meningkat lebih jauh jika berlian disinter pada suhu yang lebih tinggi atau ditahan untuk waktu penahanan yang lebih singkat selama infiltrasi silikon - meningkatkannya melebihi b-SiC murni! Selain itu, konduktivitas termal bahan juga bergantung pada jumlah silikon dan berlian bebas.

Kekerasan

Silikon karbida, yang terdiri dari atom silikon dan karbon, memiliki kekerasan Mohs yang luar biasa yaitu 9,5 dan dengan demikian menempati urutan kedua setelah berlian dalam hal kekerasan. Karena kekuatan dan daya tahannya, silikon karbida memiliki banyak sekali kegunaan dalam industri.

Silikon karbida memiliki banyak sifat yang sama dengan berlian, termasuk struktur kristalnya yang tetrahedral - empat atom dari setiap elemen berbagi satu kisi kubik berpusat muka untuk membentuk ikatan kovalen yang kuat yang serupa dengan ikatan tetrahedral berlian yang kuat - serta kekuatan tarik yang tinggi dan koefisien gesekan yang rendah, membuat kedua bahan tersebut menjadi bahan benda kerja yang hebat.

Silikon karbida dapat diproduksi dengan menggunakan beberapa teknik, dengan silikon karbida sintetis yang diproduksi melalui peleburan pasir kuarsa, kokas minyak bumi (atau kokas batu bara), serpihan kayu, atau bahan mentah lainnya dalam tungku bersuhu tinggi. Setelah dibuat, silikon karbida menunjukkan kekerasan, memiliki titik leleh yang tinggi dan tahan terhadap oksidasi bahkan dalam kondisi suhu ekstrem.

Silikon karbida memiliki banyak kegunaan praktis untuk industri. Salah satu aplikasinya adalah pada bahan abrasif. Berkat sifat ketahanan dan kekuatannya yang luar biasa, karbida silikon menjadi bagian tak terpisahkan dari amplas, roda gerinda, dan alat pemotong. Silikon karbida juga digunakan sebagai komponen insulasi pada tungku industri serta komponen tahan aus pada pompa dan mesin roket serta substrat semikonduktor yang digunakan untuk dioda pemancar cahaya (LED).

Ada berbagai metode untuk memproduksi silikon karbida. Teknik tradisional melibatkan penggunaan proses sintering di mana bubuk silikon dan karbon digabungkan dalam lelehan bertekanan tinggi untuk membentuk blok silikon karbida yang disinter yang kemudian dapat dipotong sesuai bentuk dan ukuran yang diinginkan. Alternatif lain adalah dengan mereaksikan silikon cair dengan grafit berpori; hal ini akan menghasilkan moissanite sintetis hitam yang memiliki beberapa sifat mekanik yang sama tanpa harus mengeluarkan biaya yang mahal.

Material berlian berikatan silikon karbida yang diproduksi secara khusus dengan lapisan grafit pada antarmukanya, ternyata memiliki kekuatan yang sangat tinggi, bahkan melebihi antarmuka berlian/SiC yang bebas grafit, meskipun belum diketahui secara pasti, apakah hal ini disebabkan oleh lapisan grafit antarmukanya.

Stabilitas Kimia

Berlian silikon karbida adalah bahan yang sangat tangguh dengan stabilitas kimiawi yang sangat baik, sehingga cocok untuk aplikasi keausan seperti seal, inliner, dan nozel. Selain itu, berlian ini juga merupakan alat potong yang hebat. Karena struktur kristalnya yang kuat dan sifat kekerasannya yang baik, pemesinan intan karbida silikon relatif mudah dibandingkan dengan banyak material keras lainnya dan juga memiliki koefisien gesekan yang rendah, sehingga cocok untuk penggunaan industri.

Berlian silikon karbida telah mengalami perkembangan pesat karena meningkatnya persyaratan ketahanan aus. Silikon karbida, senyawa anorganik yang terdiri dari karbon dan silikon dengan struktur kristal heksagonal, dapat diproduksi dalam berbagai bentuk dan ukuran. Edward Goodrich Acheson menciptakan senyawa silikon karbida pertama pada tahun 1891 dengan memanaskan tanah liat dan bubuk kokas dalam mangkuk besi hingga terbentuk kristal biru yang dikenal sebagai karborundum - Acheson percaya bahwa bahan ini akan memiliki nilai yang lebih tinggi daripada batu bara karena dapat digunakan untuk membuat logam.

Silikon karbida sangat berbeda dengan berlian murni karena memiliki stabilitas yang lebih besar dalam kondisi suhu tinggi dan memiliki koefisien gesekan yang rendah, sekaligus jauh lebih murah. Oleh karena itu, silikon karbida telah menjadi bahan utama untuk penggunaan industri.

Ketika digunakan sebagai bedding powder untuk preforms diamond-siC, bedding powder a-Si3N4 mencegah pembentukan silikon karbida dan pembentukan lapisan korporasi - sehingga sangat meningkatkan kekuatan antarmuka diamond-siC dibandingkan sampel konvensional yang tertanam dalam silikon cair.

Namun demikian, sifat yang tepat dari antarmuka ini sebagian besar masih belum dapat dijelaskan. Bisa jadi, hal ini disebabkan oleh ikatan yang lebih lemah di antara bidang grafit atau fase yang berbeda pada antarmuka, yang memerlukan penelitian lebih lanjut untuk memahami sepenuhnya.

Spektrometri sinar-X dispersif energi (EDX) digunakan untuk menilai distribusi kerapatan atom dalam lapisan amorf yang terbuat dari bahan 3 C-SiC/berlian. Pengurangan bertahap diamati dalam profil intensitas untuk atom karbon dan silikon di dekat antarmuka seperti ikatan, dengan karbon menunjukkan kemiringan yang tidak terlalu curam. Silikon menunjukkan profil kerapatan yang sedikit cekung sementara karbon lebih bertahap.

Struktur mikro

Berlian adalah permata alami yang terbentuk selama jutaan tahun, namun produksinya dapat dilakukan secara sintetis dengan biaya yang jauh lebih murah di laboratorium. Silikon karbida, batu permata sintetis lainnya dengan sifat yang sama tetapi dengan biaya yang jauh lebih rendah jauh lebih tahan lama dan hemat biaya. Indeks biasnya yang tinggi memungkinkannya memantulkan cahaya lebih efektif daripada permata lainnya, sementara daya tahannya membuatnya cocok untuk dipakai sehari-hari. Selain itu, titik lelehnya yang rendah berarti ia dapat bertahan pada suhu tinggi dan bahan kimia tanpa retak di bawah tekanan.

Struktur mikro komposit intan-silikon karbida biasanya terdiri dari jaringan tiga dimensi yang saling menembus yang terdiri dari SiC dan intan. Ukuran dan morfologi partikel menentukan struktur akhir dari silikon karbida sambungan tiga; biasanya, lapisan atom antarmuka grafit berorientasi tegak lurus terhadap permukaan berlian / SiC untuk membentuk ikatan yang erat dengannya - ketebalannya biasanya jauh lebih kecil daripada panjang ikatan antara atom silikon karbida dan lapisan atom berlian.

Untuk konduktivitas termal yang optimal dari berlian silikon karbida, sangatlah penting untuk memahami bagaimana atom-atomnya berinteraksi. Sinar X-ray sinkrotron dapat digunakan untuk memeriksa antarmuka berlian-silikon karbida dan parameter struktural serta interaksinya. Hasil penelitian menunjukkan interaksi antarpartikel yang lemah; area kontak antara berlian dan partikel SiC mengandung lapisan karbon seperti kaca, lapisan batas grafit, dan pori-pori mikro - sebuah indikasi buruknya konduktivitas termal berlian.

SiC dan berlian berinteraksi secara erat, namun kekuatannya juga bergantung pada struktur mikronya. Struktur mikro ini terdiri dari jaringan tiga dimensi partikel berlian dan silikon karbida dengan cakupan interlayer grafit yang minimal di seluruh area permukaannya; selain itu, struktur mikro ini juga menentukan sifat mekanis seperti ketahanan terhadap patahan.

Kekuatan sampel kantilever meningkat ketika lebih banyak antarmuka berlian/SiC yang dimiringkan ke arah ujung yang dimuati, seperti yang ditunjukkan oleh simulasi dinamika molekuler antarmuka paralel. Spesimen dengan kemiringan 40 nanometer terbukti sangat kuat.