실리콘 카바이드 열 전도성

탄화규소 또는 카보룬듐()은 연마재로 사용하기 위해 1893년에 처음 대량 생산된 경질 세라믹입니다. 모이사나이트 보석과 커런덤이라는 화성암으로 소량 존재하는 천연 사례도 있지만, 현대에는 대부분 합성으로 사용됩니다.

SiC는 높은 내피로성, 높은 열전도율, 낮은 팽창 계수를 보이는 것으로 알려져 있어 부식성 환경에서도 강한 내구성을 유지하면서 고온을 견딜 수 있는 제작에 적합합니다.

열물리학적 특성

실리콘 카바이드는 상온에서 열전도율이 높은 몇 안 되는 소재 중 하나입니다. 실리콘 카바이드는 단단하고 견고하며 온도가 안정적이기 때문에 천문학자들이 사용하는 망원경 거울에 사용하기에 탁월한 소재입니다.

밀도 함수 이론은 입방 실리콘 카바이드(3C-SiC)의 구조적 파라미터와 유한 온도 열-물리적 특성을 체계적으로 이론적으로 조사하는 데 활용되었습니다. 탄성 상수와 크누프 미세 경도에 관한 결과는 실험 데이터는 물론 다른 곳에서 발표된 계산 결과와도 만족스러운 일치도를 보였습니다.

또한 최적화된 구조 모델을 사용하여 ZrC, TiC 및 SiC의 결함 형성 에너지에 대한 원자 수준의 추정치를 얻었습니다. 그 결과 결함 원자 수가 증가함에 따라 Debye 온도가 감소하는 반면 CZr 안티사이트 및 VC 결함은 VSi 및 Sit 결함보다 낮은 형성 에너지를 나타내며, 이러한 형성 에너지 감소는 3C-SiC 구조의 일축 및 전단 변형에 대한 저항에 영향을 미칠 수 있음을 밝혀냈습니다.

전기적 특성

탄화규소는 자연계에서 가장 단단하고 열전도율이 높은 소재 중 하나로, 산과 알칼리의 공격을 모두 견디며 최대 1600℃까지 강도 손실 없이 내열성을 지니고 있습니다. 또한 실리콘 카바이드는 우수한 전기 전도체 역할을 합니다.

실리콘 카바이드는 밴드갭이 넓어 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터와 같은 반도체 소자에 사용하기에 적합하며, 큰 전압과 전류를 견딜 수 있어 고전력 전력 장치에도 유용합니다.

다공성 SiC는 그래핀 나노플라넷(GNP)을 추가하여 열적 특성을 강화한 물질로 변경할 수 있습니다. 이 소재는 화학량론적 또는 비화학량론적 SiC 분말의 액상 스파크 플라즈마 소결을 통해 제조할 수 있으며, 다양한 소결 보조제(Y2O3 및 La2O3) 조합을 테스트하여 최대 20 vol% GNP 함량을 가진 다공성 소재의 상 조성, 미세 구조 및 열전도도에 미치는 영향을 평가하고 최대 20% GNP 함량을 가진 복합체에서 비단조 온도 의존성이 관찰되었습니다.

기계적 특성

실리콘과 탄소 원자의 독특한 결정 격자 구성으로 인해 SiC는 가장 견고하고 단단한 세라믹 소재 중 하나로 뛰어난 기계적 특성을 지니고 있습니다. 산, 염료, 용융 염에 의한 부식과 마모에 대한 내성이 강하고 강도가 높아서 연삭기, 확장기 또는 압출기의 연삭 휠이나 드릴 비트와 같은 내마모성 부품에도 SiC를 매력적인 소재로 선택할 수 있습니다.

세라믹 소재는 가벼울 뿐만 아니라 열충격 저항성이 뛰어나 최대 1600degC의 온도에서도 기계적 특성이나 열팽창을 잃지 않고 견딜 수 있으며, 낮은 열팽창률과 매우 높은 영탄율로 치수 안정성을 제공합니다.

다공성 SiC 세라믹의 다공성은 성형 방법(반응 결합 또는 소결)에 따라 달라집니다. 연구에 따르면 B4C 함량이 증가함에 따라 전기 전도도와 굴곡 강도가 모두 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 Si-C 매트릭스 재료에서 산소를 흡착하여 포논 산란 길이를 감소시키는 능력 때문인 것으로 밝혀졌습니다.

애플리케이션

실리콘 카바이드는 제조 과정에서 연마재와 절삭 공구로 사용됩니다. 탄화규소는 표면이 단단하고 내열성이 뛰어나기 때문에 다이오드 및 트랜지스터의 전자 반도체로 사용되며, 전압 허용 오차가 실리콘을 능가할 수 있기 때문에 실리콘 카바이드도 발견할 수 있습니다.

실리콘 카바이드는 경도가 높고 부식에 강하며 열전도율이 높아 헬멧이나 방탄판과 같은 보호 장비에 탁월한 소재입니다. 또한 화학적 불활성으로 인해 물과 반응하지 않으므로 우주선이나 해양 환경과 같이 습도가 높은 환경에서 사용하기에 이상적입니다.

재결정화 실리콘 카바이드(RSiC)는 다른 어떤 SiC 변형보다 기계적, 열적, 전기적 특성의 탁월한 조화를 자랑합니다. 치밀한 미세 구조로 인해 고온에서도 강도와 강성을 유지하면서 팽창 계수가 낮고, 구조적 지르코니아 세라믹에 비해 상대적으로 높은 탄성 계수 값을 나타내며 열팽창 계수 값도 낮습니다.