Silicio karbido šiluminis laidumas

Silicio karbidas, arba karborundas, yra kieta keramika, pirmą kartą masiškai pagaminta 1893 m. kaip abrazyvas. Nors yra natūralių pavyzdžių (moisanito brangakmeniai ir nedideli kiekiai magminės uolienos, vadinamos korundu), dauguma šiuolaikinių naudojimo būdų yra sintetiniai.

SiC pasižymi dideliu atsparumu nuovargiui, dideliu šilumos laidumu ir mažu plėtimosi koeficientu, todėl jis tinka gamybai, kad atlaikytų aukštą temperatūrą ir išliktų tvirtas korozinėje aplinkoje.

Termofizikinės savybės

Silicio karbidas yra viena iš nedaugelio medžiagų, pasižyminčių dideliu šilumos laidumu kambario temperatūroje. Dėl savo kietumo, standumo ir temperatūros stabilumo silicio karbidas yra puiki medžiaga astronomų naudojamiems teleskopų veidrodžiams gaminti.

Teorijos tankio funkcijos teorija buvo panaudota sistemingiems teoriniams kubinio silicio karbido (3C-SiC) struktūrinių parametrų ir termofizikinių savybių galutinėje temperatūroje tyrimams. Mūsų gauti rezultatai, susiję su tamprumo konstantomis ir Knoopo mikrokietumu, patenkinamai sutapo su eksperimentiniais duomenimis ir kitur paskelbtais skaičiavimų rezultatais.

Taikydami optimizuotus struktūros modelius, taip pat gavome ZrC, TiC ir SiC defektų susidarymo energijų atominio lygmens įverčius. Rezultatai atskleidė, kad Debye temperatūra mažėja didėjant defekto atomų skaičiui, o CZr antisito ir VC defektai pasižymi mažesnėmis susidarymo energijomis nei analogiški VSi ir Sit defektai; jų susidarymo energijos sumažėjimas gali turėti įtakos 3C-SiC struktūrų atsparumui vienašėms ir šlyties deformacijoms.

Elektrinės savybės

Silicio karbidas yra viena kiečiausių ir šilumai laidžiausių gamtoje randamų medžiagų, atspari rūgščių ir šarmų poveikiui, o karščiui atspari iki 1600 laipsnių C, neprarasdama tvirtumo. Be to, silicio karbidas yra puikus elektros laidininkas.

Dėl plataus silicio karbido pralaidumo juostos tarpo jis tinka naudoti puslaidininkiniuose įtaisuose, pavyzdžiui, dioduose, tranzistoriuose ir tiristoriuose, o dėl gebėjimo atlaikyti dideles įtampas ir sroves jį galima naudoti ir didelės galios elektros energijos įtaisuose.

Akytąjį SiC galima keisti pridedant grafeno nanodalelių (GNP), taip sukuriant geresnių šiluminių savybių turinčią medžiagą. Šią medžiagą galima pagaminti sukepinant skysčio fazės kibirkštine plazma stechiometrinius arba nestechiometrinius SiC miltelius; buvo išbandyti įvairūs sukepinimo pagalbinių medžiagų (Y2O3 ir La2O3) deriniai, siekiant įvertinti jų poveikį akytųjų medžiagų su iki 20 tūrio % GNP kiekiu fazinei sudėčiai, mikrostruktūrai ir šiluminiam laidumui; buvo pastebėta nemonotoniška temperatūros priklausomybė nuo kompozitų, kuriuose yra iki 20% GNP kiekio.

Mechaninės savybės

Dėl unikalios silicio ir anglies atomų sudėties kristalinėje gardelėje SiC pasižymi ypatingomis mechaninėmis savybėmis, todėl yra viena tvirčiausių ir kiečiausių keraminių medžiagų. Labai atspari rūgščių, šarmų, išlydytų druskų korozijai ir dilimui; dėl standumo ir tvirtumo SiC yra patraukli medžiaga, kurią galima naudoti ir dilimui atspariems komponentams, pavyzdžiui, šlifavimo diskams ar grąžtams malūnuose, plėstuvuose ar ekstruderiuose.

Keraminė medžiaga yra ne tik lengva, bet ir labai atspari terminiam smūgiui - ji gali atlaikyti iki 1600 laipsnių C temperatūrą, neprarasdama mechaninių savybių ir šiluminio plėtimosi, o mažas šiluminio plėtimosi greitis ir itin didelis Youngo modulis užtikrina matmenų stabilumą.

Akytosios SiC keramikos porėtumas priklauso nuo jos formavimo būdo (reakcinio sujungimo ar sukepinimo). Tyrimai parodė, kad tiek elektrinis laidumas, tiek atsparumas lenkimui didėja didėjant B4C kiekiui dėl jo gebėjimo adsorbuoti deguonį iš Si-C matricos medžiagų ir taip sumažinti fononų sklaidos ilgį.

Paraiškos

Silicio karbidas gamyboje naudojamas ir kaip abrazyvas, ir kaip pjovimo įrankis. Dėl kieto ir karščiui atsparaus paviršiaus silicio karbidą taip pat galima rasti kaip elektroninį puslaidininkį dioduose ir tranzistoriuose, nes jo tolerancija įtampai gali viršyti silicio toleranciją.

Silicio karbido kietumas, atsparumas korozijai ir didelis šiluminis laidumas daro jį puikia medžiaga apsauginei įrangai, pvz., šalmams ir šarvo plokštėms, gaminti. Be to, jo cheminis inertiškumas reiškia, kad jis nereaguoja su vandeniu, todėl idealiai tinka naudoti didelės drėgmės aplinkoje, pavyzdžiui, kosminiuose laivuose ir jūrų aplinkoje.

Rekristalizuotas silicio karbidas (RSiC) pasižymi neprilygstamu mechaninių, šiluminių ir elektrinių savybių deriniu, palyginti su kitais SiC variantais. Dėl tankios mikrostruktūros RSiC turi mažą plėtimosi koeficientą, tačiau išlaiko stiprumą ir standumą aukštoje temperatūroje; be to, jo tamprumo modulio vertės yra santykinai didesnės nei struktūrinės cirkonio keramikos, o šiluminio plėtimosi koeficiento vertės, palyginti su struktūrine cirkonio keramika, yra mažos.