Silīcija karbīda siltumvadītspēja

Silīcija karbīds jeb karborunds () ir cieta keramika, kas pirmo reizi masveidā tika ražota 1893. gadā, lai to izmantotu kā abrazīvu. Lai gan pastāv dabiski eksemplāri (moisanīta dārgakmeņi un neliels daudzums kā vulkānisks iezis, ko sauc par korundu), mūsdienās lielākoties tiek izmantots sintētiski.

SiC ir pazīstams ar augstu izturību pret nogurumu, augstu siltumvadītspēju un zemu izplešanās koeficientu, tāpēc tas ir piemērots ražošanai, lai izturētu augstas temperatūras, vienlaikus saglabājot izturību korozīvā vidē.

Termofizikālās īpašības

Silīcija karbīds ir viens no nedaudzajiem materiāliem ar augstu siltumvadītspēju istabas temperatūrā. Tā kā silīcija karbīds ir ciets, stingrs un temperatūras ziņā stabils, tas ir lielisks materiāls astronomu izmantoto teleskopu spoguļu izgatavošanai.

Lai sistemātiski teorētiski izpētītu kubiskā silīcija karbīda (3C-SiC) strukturālos parametrus un termofizikālās īpašības galīgajā temperatūrā, tika izmantota blīvuma funkcionālā teorija. Mūsu rezultāti attiecībā uz elastības konstantēm un Knoopa mikrotrūdumu parādīja apmierinošu atbilstību eksperimentālajiem datiem, kā arī citur publicētajiem aprēķinu rezultātiem.

Izmantojot optimizētus struktūras modeļus, mēs ieguvām arī atomu līmeņa aplēses par defektu veidošanās enerģijām ZrC, TiC un SiC, izmantojot optimizētus struktūras modeļus. Rezultāti atklāja, ka Debye temperatūra samazinās, palielinoties defektu atomu skaitam, bet CZr antisīta un VC defekti uzrāda zemākas veidošanās enerģijas nekā to analogie VSi un Sit defekti; to veidošanās enerģijas samazinājums var ietekmēt 3C-SiC struktūru izturību pret vienass un bīdes deformāciju.

Elektriskās īpašības

Silīcija karbīds ir viens no cietākajiem un siltumvadošākajiem materiāliem, kas atrodams dabā, un tas ir izturīgs gan pret skābju, gan sārmu iedarbību, turklāt ir karstumizturīgs līdz 1600 grādiem pēc Celsija, nezaudējot izturību. Turklāt silīcija karbīds ir lielisks elektrovadītājs.

Silicija karbīda plašā joslas joslas sprauga padara to piemērotu izmantošanai tādās pusvadītāju ierīcēs kā diodes, tranzistori un tiristori, savukārt tā spēja izturēt lielu spriegumu un strāvu padara to noderīgu arī lieljaudas enerģijas ierīcēs.

Poraino SiC var pārveidot, pievienojot grafēna nanoplatītes (GNP), tādējādi radot materiālu ar uzlabotām termiskajām īpašībām. Šo materiālu var izgatavot, saķepinot šķidrās fāzes dzirksteļplazmā stehiometrisko vai nestehiometrisko SiC pulveri; tika pārbaudītas dažādas saķepināšanas palīgvielu (Y2O3 un La2O3) kombinācijas, lai novērtētu to ietekmi uz porainu materiālu ar GNP saturu līdz 20 tilpuma % fāžu sastāvu, mikrostruktūru un siltumvadītspēju; kompozītiem ar GNP saturu līdz 20% tika novērota nemonotona temperatūras atkarība.

Mehāniskās īpašības

SiC unikālais silīcija un oglekļa atomu sastāvs tā kristālrežģī piešķir tam ievērojamas mehāniskās īpašības, kas padara to par vienu no cietākajiem un izturīgākajiem keramikas materiāliem. SiC ir ļoti izturīgs pret skābju, sārmu, izkausētu sāļu izraisītu koroziju, kā arī pret nodilumu; stingrība un izturība padara SiC par pievilcīgu materiālu arī tādiem nodilumizturīgiem komponentiem kā slīpēšanas diski vai urbji dzirnavās, ekspanderos vai ekstrūderos.

Keramikas materiāls ir viegls, turklāt tam piemīt izcila izturība pret termisko triecienu - tas var izturēt temperatūru līdz 1600 grādiem pēc Celsija, nezaudējot mehāniskās īpašības vai termisko izplešanos, ar zemu termiskās izplešanās ātrumu un ārkārtīgi augstu Junga moduli, kas nodrošina izmēru stabilitāti.

Porainās SiC keramikas porainība atšķiras atkarībā no tās veidošanas metodes (reakcijas saistīšana vai saķepināšana). Pētījumos ir pierādīts, ka, palielinoties B4C saturam, palielinās gan elektrovadītspēja, gan stiepes izturība, jo tas spēj adsorbēt skābekli no Si-C matricas materiāliem un tādējādi samazina fononu izkliedes garumu.

Pieteikumi

Silīcija karbīdu izmanto gan kā abrazīvu, gan kā griezējinstrumentu ražošanā. Tā cietās un karstumizturīgās virsmas dēļ silīcija karbīdu var izmantot arī kā elektronisko pusvadītāju diodēs un tranzistoru sastāvā, jo tā sprieguma tolerance var pārsniegt silīcija toleranci.

Silīcija karbīda cietība, izturība pret koroziju un augstā siltumvadītspēja padara to par lielisku materiālu tādiem aizsardzības līdzekļiem kā ķiveres un bruņu plāksnes. Turklāt tā ķīmiskā inertums nozīmē, ka tas nereaģē ar ūdeni, tāpēc ir ideāli piemērots izmantošanai augsta mitruma apstākļos, piemēram, kosmosa kuģos un jūras vidē.

Pārkristalizētais silīcija karbīds (RSiC) var lepoties ar nepārspējamu mehānisko, termisko un elektrisko īpašību kombināciju, kas ir labāka par citiem SiC variantiem. Tā blīvā mikrostruktūra nodrošina RSiC zemu izplešanās koeficientu, vienlaikus saglabājot izturību un stingrību arī augstās temperatūrās; turklāt RSiC uzrāda relatīvi augstākas elastības moduļa vērtības nekā strukturālā cirkonija keramika un tam ir zemas termiskās izplešanās koeficienta vērtības salīdzinājumā ar strukturālo cirkonija keramiku.