Silicio karbido šiluminis laidumas ir stipris

Silicio karbidas (SiC) yra patvari neoksidinė keramika, žinoma dėl savo stiprumo ir atsparumo karščiui. Ji naudojama tose srityse, kuriose reikalingas didelis atsparumas karščiui ir minimalus plėtimasis.

SiC šilumos laidumas didėja kartu su temperatūra iki tam tikro taško; tačiau dėl priemaišų ar struktūrinių defektų jis laikui bėgant palaipsniui mažėja – šis reiškinys būdingas daugeliui medžiagų.

Sidabras

Sidabras yra vienas iš labiausiai paplitusių metalų Žemėje ir pasižymi dideliu šilumos laidumu, todėl jis plačiai naudojamas įvairiose pramonės šakose, įskaitant lydmetalo pastos ir kondensatorių gamybą. Dėl mažo šiluminio plėtimosi koeficiento ir kalumo sidabras taip pat tinka taikymams, kuriuose reikalingas didelis šilumos srautas iš pagrindo į lustą, pavyzdžiui, galios elektronikos lydmetalo pastos taikymams.

Silicio karbidas yra aukštos temperatūros ugniai atspari keraminė medžiaga, pasižyminti labai mažu elektriniu pasipriešinimu (1 omas cm). Be to, jos šilumos laidumas svyruoja nuo 120 iki 270 W/mK. Ši tvirta medžiaga yra atspari oksidacijai ir korozijai, be to, yra ypač kieta. Dėl šių savybių silicio karbidas yra idealus pasirinkimas taikymams, kuriuose reikalingas atsparumas nusidėvėjimui ir aukštos temperatūros.

SiC šiluminis laidumas yra glaudžiai susijęs su jo gardelės temperatūra, kurią savo ruožtu lemia elektronų koncentracija kristalinėje struktūroje. Didėjant elektronų koncentracijai, gardelės temperatūra mažėja, o šiluminis laidumas proporcingai didėja. Mokslininkai išmatavo šiluminį laidumą kubinio plokštuminio centravimo polikristalinio SiC, pagaminto cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu. Jie nustatė, kad jų aukščiausio grynumo mėginys (3C-SiC) pasižymėjo šiluminiu laidumu, prilygstančiu tiek deimantui, tiek varui, ir 50% didesniu nei komerciškai prieinamų 6H-SiC medžiagų.

Mokslininkai taip pat tyrė priemaišų poveikį CVD SiC šiluminiam laidumui, sąmoningai legiruodami jį boro ir azoto legiravimo medžiagomis, ir nustatė, kad boro pridėjimas žymiai sumažino šiluminį laidumą – tai atitinka ankstesniuose darbuose pateiktas teorines prognozes –, o azoto legiravimas neturėjo pastebimo poveikio elektronų koncentracijai kristalinėje struktūroje, ką patvirtina tai, kad legiravus šiuo elementu šiluminis laidumas nesumažėjo.

Autoriai savo tyrimų rezultatus paskelbė žurnale “Applied Physics A” ir nenurodė jokių interesų konfliktų, kurie galėtų turėti įtakos jų pateiktiems tyrimų rezultatams. Prieš priėmimą jų rankraštį peržiūrėjo mažiausiai du nepriklausomi ekspertai; ypač daug pagalbos peržiūrint ir teikiant pasiūlymus suteikė dr. Michael R. Schreck, NIST Nanomastelio mokslo ir inžinerijos centro direktorius, ir dr. Stephen L. Kost, fizikos profesorius iš Merilando universiteto Koledž Parko kampuso.

Varis

Silicio karbidas (SiC) yra neorganinė puslaidininkinė medžiaga, sudaryta iš silicio ir anglies. SiC pasižymi puikiomis atsparumo terminiams smūgiams savybėmis, todėl tinka naudoti ten, kur reikalingas mažas plėtimosi koeficientas, didelis atsparumas karščiui ir greiti temperatūros pokyčiai – tai ideali medžiaga, užtikrinanti didelį atsparumą karščiui be pernelyg didelio plėtimosi. Be to, SiC pasižymi puikiu cheminiu stabilumu bei labai aukštu šilumos laidumu.

Medžiagų šilumos laidumas priklauso nuo jų sudėties ir fazių sąsajų pobūdžio, todėl, kai jos naudojamos kaip daugiakomponenčiai kompozitai, pavyzdžiui, Al-SiC arba Cu-SiC, šilumos laidumas priklauso nuo sąveikaujančių vario ir SiC fazių, kurias būtina išsamiai ištirti, norint gauti tikslius šių medžiagų šilumos laidumo duomenis.

Tyrimai, skirti vario ir SiC sąsajų analizei, leido padaryti keletą įdomių išvadų. Vienas iš tokių atradimų buvo tai, kad padengus SiC sferinėmis vario dalelėmis žymiai pagerėja MMC suspaudžiamumas, nes sumažėja gretimų dalelių sąlyčio plotas, o tai lemia mažesnį trinties pasipriešinimą.

Vario buvimas ne tik padidina SiC/Cu MMC medžiagų suspaudžiamumą, bet ir žymiai pagerina jų šiluminį laidumą. Taip yra todėl, kad SiC ir varis turi panašias kristalines struktūras, kurių gardelių parametrai iš esmės sutampa, o tai leidžia energijai perduodamasi per jų sąsajas.

Naudojant šias medžiagas šilumos valdymo taikymuose, kuriuose lemiamą vaidmenį atlieka sąsajos šiluminis laidumas, reikia atsižvelgti į tam tikrus aspektus. Ypač SiC/Cu MMC gali būti labai naudingos tais atvejais, kai sąsajos šiluminis laidumas turi viršyti pačios medžiagos šiluminį laidumą.

Vienas iš veiksnių, lemiantis didesnį SiC/Cu MMC šilumos laidumą, palyginti su grynu SiC, yra daugkartiniai fononų sklaidos reiškiniai jų sąsajoje, kurie šilumos laidumą padidina keliais dydžio eilėmis.

Aliuminis

Silicio karbidas yra kieta, trapi puslaidininkinė medžiaga, pasižyminti puikiu šilumos laidumu, kurią galima paversti metalu, legiruojant ją azoto, fosforo arba aliuminio atomais. Silicio karbidas buvo viena iš pirmųjų komerciškai svarbių puslaidininkių medžiagų; jis buvo naudojamas gaminant “karborundą” – vieną iš pirmųjų kristalinių radijo siųstuvų, patentuotą 1906 m. Nors grynas silicio karbidas dėl jame esančių geležies priemaišų yra bespalvis, pramoniniai produktai dėl priemaišų paprastai būna nuo rudos iki juodos spalvos.

Silicio karbido šilumos laidumas priklauso tiek nuo jo morfologijos ir legiruojančių elementų sudėties, tiek nuo to, kiek jų yra kietajame tirpale. Legiruojantys elementai sukelia kristalinio tinklo iškraipymus ir sukuria naujas sąsajas, kurios sklaido elektronus kitaip nei esamos sąsajos, taip dar labiau susilpnindamos šilumos laidumą.

Cu, esantis aliuminio ir silicio karbido lydinyje, pasižymi mažesniu šilumos laidumu nei Al₂Cu dėl skirtingų kristalinių struktūrų; tai turi esminį poveikį jo mechaninėms savybėms ir į tai reikėtų atsižvelgti projektuojant.

Šis vartotojo objektas pateikia monolitinio silicio karbido šilumines savybes, įskaitant jo šilumos laidumą ir izobarinę savitąją šiluminę talpą, priklausančias nuo temperatūros. Be to, šis vartotojo objektas pateikia informaciją apie jo šiluminio plėtimosi koeficientą, priklausantį tiek nuo temperatūros, tiek nuo slėgio.

Aliuminio ir silicio karbido kompozitas (ALTRON) yra specialiai sukurtas produktas, pasižymintis išskirtiniu atsparumu dilimui ir korozijai bei patrauklia kaina. ALTRON galima formuoti į įvairias sudėtingas formas be brangių įrankių parengimo išlaidų; be to, jį galima suvirinti arba litinti kartu su kitais lydiniais, todėl detales galima pagaminti greičiau nei naudojant konkurencines medžiagas.

„ALTRON“ procese naudojama novatoriška patentuota technologija, leidžianti sklandžiai sujungti aliuminio oksidą ir silicio karbidą į patobulintą kompozitą. Šis produktas sujungia šių medžiagų puikias fizines savybes ir kartu sumažina sąnaudas, nes nereikia taikyti tradicinių kietųjų apdirbimo procesų. Dėl to dideli atviros struktūros plotai užtikrina geresnius apdirbimo parametrus bei didesnį tempiamąjį stiprumą, o tai leidžia pagaminti tankias detales, pasižyminčias puikiu atsparumu dilimui, cheminiu stabilumu ir cheminiu patvarumu, todėl jos tinka naudoti sudėtingose taikymo srityse.

Kiti metalai

Silicio karbidas yra nepaprastai gerai šilumą laidži medžiaga, pasižyminti neįtikėtinu stiprumu ir ilgaamžiškumu; jai neturi įtakos rūgštys, šarmai ar išlydytos druskos; be to, ji gali atlaikyti 1600 °C temperatūrą nesulydydama. Dėl šio įspūdingo savybių derinio jis tampa vis populiaresniu pasirinkimu tiek tiksliai apdirbtoms detalėms, tiek nereaktyviai korozijos apsaugai, skirtai įvairioms medžiagoms – puikiai tinka atšiaurioms aplinkoms!

Silicio karbidas išsiskiria puikiu šilumos laidumu ir mažu šiluminio plėtimosi koeficientu, todėl tai yra puikus medžiagos pasirinkimas komponentams, kurie turi veikti įvairiose temperatūrose. Be to, jo išskirtinis stiprumas ir atsparumas cheminėms medžiagoms padeda apsaugoti nuo pažeidimų, kuriuos sukelia dilimas, smūginės vibracijos ir terminiai šokai; taip pat jis pasižymi puikiu atsparumu terminiams šokams, todėl gali būti pakartotinai veikiamas terminiais šokais, nepatirdamas komponentų pažeidimų.

SiC medžiagos šilumos laidumas didėja kartu su temperatūra, nes aukštesnėse temperatūrose jos šilumos perdavimo mechanizmai tampa entropiškesni, o tai didina savitąją šilumą – rodiklį, parodantį, kiek energijos reikia, kad jos temperatūra pakiltų vienu kelvino laipsniu. Dėl to padidėja jos savitoji šiluma.

Dėl mažos savitosios šilumos silicio karbidas yra puikus pasirinkimas astronominių teleskopų veidrodžiams gaminti; polikristalinės jo formos gaunamos taikant cheminio garų nusodinimo metodą, taip suformuojant kietus, tvirtus ir šilumą gerai laidžius polikristalinio silicio diskus.

Polikristalinio silicio legiravimas retųjų žemių metalais yra dar vienas būdas padidinti jo šiluminį laidumą ir užtikrinti efektyvesnį jo veikimą įvairiose taikymo srityse. Tokios legiruojančios medžiagos gali padidinti šiluminį laidumą net iki 30 %, o tai padeda žymiai pagerinti įvairių produktų eksploatacines savybes.

Tačiau reikėtų nepamiršti, kad fononų vidutinio laisvojo kelio matavimus gali įtakoti kristalinė struktūra ir matricos savybės; dėl to jų naudingumas kaip tikslių kietųjų kūnų šiluminio laidumo matavimo rodiklių yra ribotas. Todėl, lyginant eksperimentinius ar teorinius duomenų rinkinius, norint gauti patikimas šiluminio laidumo vertes, dažnai reikėtų remtis kitomis bandinio fizinėmis savybėmis.