Konduktivitas Termal Silikon Karbida

Silikon karbida, atau karborundum (), adalah keramik keras yang pertama kali diproduksi secara massal pada tahun 1893 untuk digunakan sebagai bahan abrasif. Meskipun ada contoh alami (permata moissanite dan sejumlah kecil sebagai batuan beku yang disebut korundum), sebagian besar penggunaan modern terjadi secara sintetis.

SiC dikenal memiliki ketahanan lelah yang tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, dan koefisien muai yang rendah; sehingga cocok untuk fabrikasi yang tahan terhadap suhu tinggi namun tetap kuat dalam lingkungan korosif.

Sifat Termofisik

Silikon karbida adalah salah satu dari sedikit bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi pada suhu kamar. Karena sifatnya yang keras, kaku, dan stabil pada suhu, silikon karbida merupakan pilihan bahan yang sangat baik untuk digunakan dalam cermin teleskop yang digunakan oleh para astronom.

Teori Fungsional Densitas digunakan untuk investigasi teoritis sistematis dari parameter struktural dan sifat termo-fisik temperatur terbatas dari silikon karbida kubik (3C-SiC). Hasil penelitian kami mengenai konstanta elastisitas dan kekerasan mikro Knoop menunjukkan kesesuaian yang memuaskan dengan data eksperimental serta temuan yang telah dihitung yang dipublikasikan di tempat lain.

Dengan menggunakan model struktur yang dioptimalkan, kami juga memperoleh estimasi tingkat atom dari energi pembentukan cacat untuk ZrC, TiC dan SiC dengan menggunakan model struktur yang dioptimalkan. Hasilnya menunjukkan bahwa suhu Debye menurun dengan meningkatnya jumlah atom cacat sementara cacat antisit dan VC CZr menunjukkan energi pembentukan yang lebih rendah daripada cacat VSi dan Sit; pengurangan energi pembentukannya dapat berdampak pada ketahanan terhadap deformasi uniaksial dan geser struktur 3C-SiC.

Properti Listrik

Silikon karbida adalah salah satu bahan yang paling keras dan paling konduktif secara termal yang ditemukan di alam, tahan terhadap serangan asam dan basa serta tahan panas hingga 1600 derajat Celcius tanpa kehilangan kekuatan. Lebih jauh lagi, silikon karbida merupakan konduktor listrik yang sangat baik.

Celah pita silikon karbida yang lebar membuatnya cocok untuk digunakan pada perangkat semikonduktor seperti dioda, transistor dan thyristor, sementara kemampuannya untuk menahan tegangan dan arus yang besar membuatnya juga berguna pada perangkat berdaya tinggi.

SiC berpori dapat diubah dengan menambahkan graphene nanoplatelet (GNP), menciptakan material dengan sifat termal yang ditingkatkan. Bahan ini dapat diproduksi melalui sintering plasma percikan fase cair dari bubuk SiC stoikiometrik atau off-stoikiometrik; berbagai kombinasi alat bantu sintering (Y2O3 dan La2O3) diuji untuk mengevaluasi pengaruhnya terhadap komposisi fasa, struktur mikro dan konduktivitas termal bahan berpori dengan kandungan GNP hingga 20 vol%; ketergantungan suhu non-monotonik diamati dengan komposit yang mengandung kandungan GNP hingga 20%.

Sifat Mekanis

Komposisi unik atom silikon dan karbon dalam kisi kristalnya memberikan sifat mekanik yang luar biasa yang membuatnya menjadi salah satu bahan keramik yang paling kuat dan keras. Sangat tahan terhadap korosi dari asam, lelehan, garam cair, serta abrasi; kekakuan dan kekuatan membuat SiC menjadi pilihan material yang menarik untuk komponen tahan aus seperti roda gerinda atau mata bor di pabrik, ekspander, atau pengekstrusi.

Selain ringan, bahan keramik menunjukkan ketahanan guncangan termal yang sangat baik - bahan ini dapat bertahan pada suhu hingga 1600 derajat Celcius tanpa kehilangan sifat mekanis atau ekspansi termal, dengan tingkat ekspansi termal yang rendah dan modulus Young yang sangat tinggi yang memberikan stabilitas dimensi.

Porositas pada keramik SiC berpori bervariasi tergantung pada metode pembentukannya (ikatan reaksi atau disinter). Penelitian telah menunjukkan bahwa konduktivitas listrik dan kekuatan lentur meningkat dengan meningkatnya kandungan B4C karena kemampuannya untuk menyerap oksigen dari bahan matriks Si-C dan dengan demikian mengurangi panjang hamburan fonon.

Aplikasi

Silikon karbida digunakan sebagai alat abrasif dan alat pemotong dalam manufaktur. Karena permukaannya yang keras dan tahan panas, silikon karbida juga dapat ditemukan sebagai semikonduktor elektronik pada dioda dan transistor karena toleransi voltasenya dapat melampaui silikon.

Kekerasan silikon karbida, ketahanan terhadap korosi dan konduktivitas termal yang tinggi membuatnya menjadi bahan yang sangat baik untuk peralatan pelindung seperti helm dan pelat baja. Selain itu, kelembaman kimiawinya berarti tidak bereaksi dengan air sehingga ideal untuk digunakan dalam pengaturan kelembapan tinggi seperti pesawat ruang angkasa dan lingkungan laut.

Silikon karbida rekristalisasi (RSiC) menawarkan perpaduan sifat mekanik, termal, dan listrik yang tak tertandingi dibandingkan dengan varian SiC lainnya. Struktur mikronya yang padat memberikan RSiC koefisien muai yang rendah sekaligus mempertahankan kekuatan dan kekakuan pada suhu tinggi; ditambah lagi, RSiC menampilkan nilai modulus elastisitas yang relatif lebih tinggi daripada keramik zirkonia struktural dan memiliki nilai koefisien muai panas yang rendah dibandingkan dengan keramik zirkonia struktural.