Silisiumkarbid Diamant

Silisiumkarbid er ekstremt hardt, men likevel ikke like hardt som diamant. Likevel er det det nest hardeste materialet som finnes.

Porøse diamantpreformer bundet med karbon gjennomgår infiltrasjon ved at silisium tilføres ved hjelp av kapillærkraft ved temperaturer som overstiger dets smeltepunkt, hvorpå karbonbindemidlet omdannes til grafitt.

Termisk konduktivitet

Silisiumkarbid-diamant er et materiale som tåler ekstremt høye temperaturer og har utmerket varmeledningsevne, og det brukes i stor utstrekning innen elektro-, elektronikk- og industriell ingeniørfag. Anvendelsesområdene omfatter kjøling og oppvarming av halvledere, transistorer og kraft-LED-er, samt belysningsapplikasjoner for LED-skjermer. Varmeledningsevnen til SiC/diamant-kompositter avhenger av flere faktorer, blant annet mengden og størrelsen på diamantpartiklene, sammensetningen av bindematerialet og strukturen på grensesnittene mellom komponentene, samt hvilken innvirkning grafittlagene mellom lagene har på materialets varmeledningsevne.

Siden forrige tiår har utviklingen av svært slitesterke materialer med utmerket varmeledningsevne vært et kontinuerlig mål for forskning og utvikling. “Silisiumkarbid-diamant”-materialer kan fremstilles ved at flytende silisium trenger inn ved hjelp av kapillærkrefter ved temperaturer over 1425 °C, slik at det dannes kubiske b-SiC-strukturer som kan erstatte tradisjonelle stålmaterialer som lagre, tetninger eller innvendige foringer i industrielle anvendelser.

For å oppnå optimal varmeledningsevne i SiC/diamant-kompositter kan man benytte en bimodal fordeling av diamantkorn i ulike størrelser og andeler for å øke varmeledningsevnen. Bimodale systemer gir betydelig høyere varmeledningsevne sammenlignet med monomodale systemer, takket være grafittlignende atomlag mellom diamantkornene og deres vertsmatrise av b-SiC-matrisemateriale.

I tillegg er grafittiske atomlag orientert vinkelrett på grensesnittet, noe som skaper bimodale systemer med relativt store overflatearealer som øker varmeledningsevnen. Varmeledningsevnen øker enda mer hvis diamant sintres ved høyere temperaturer eller holdes i kortere tid under silisiuminfiltrasjonen – noe som øker den til et nivå som overstiger den for rent b-SiC! Videre avhenger materialenes varmeledningsevne også av mengden fritt silisium og diamant de inneholder.

Hardhet

Silisiumkarbid, som består av silisium- og karbonatomer, har en enestående Mohs-hardhet på 9,5 og er dermed det nest hardeste materialet etter diamant. Takket være sin styrke og holdbarhet har silisiumkarbid mange industrielle anvendelser.

Silisiumkarbid har mange av de samme egenskapene som diamant, blant annet krystallstrukturen, som er tetraedrisk – fire atomer av hvert element deler et flate-sentrert kubisk gitter og danner sterke kovalente bindinger som ligner diamantens sterke tetraedriske bindinger – samt høy strekkfasthet og lav friksjonskoeffisient, noe som gjør begge materialene til utmerkede materialer for arbeidsstykker.

Silisiumkarbid kan fremstilles ved hjelp av flere ulike metoder, og syntetisk silisiumkarbid fremstilles ved smelting av kvartssand, petroleums- eller kullkoks, flis eller andre råvarer i høytemperaturovner. Når det er fremstilt, utviser silisiumkarbid høy hardhet, har et høyt smeltepunkt og er motstandsdyktig mot oksidasjon selv under ekstreme temperaturforhold.

Silisiumkarbid har mange praktiske bruksområder i industrien. Et slikt bruksområde er i slipemidler. Takket være sine eksepsjonelle motstands- og styrkeegenskaper er silisiumkarbid en uunnværlig del av sandpapir, slipeskiver og skjæreverktøy. Silisiumkarbid brukes også som isolasjonskomponent i industrielle ovner, samt i slitesterke deler på pumper og rakettmotorer og som halvledersubstrater som brukes til lysdioder (LED).

Det finnes ulike metoder for å fremstille silisiumkarbid. Tradisjonelle teknikker innebærer bruk av en sintringsprosess der pulverisert silisium og karbon blandes i en smelte under høyt trykk for å danne en sintret blokk av silisiumkarbid som deretter kan skjæres til ønskede former og størrelser. Et annet alternativ innebærer å la flytende silisium reagere med porøs grafitt; dette skaper svart syntetisk moissanitt som har noen av de samme mekaniske egenskapene uten å være like kostbart.

Det har vist seg at spesialproduserte diamantmaterialer bundet med silisiumkarbid, med grafittlignende mellomlag ved grensesnittet, har en usedvanlig høy styrke som til og med overgår styrken til grafittfrie diamant/SiC-grensesnitt, selv om det er uklart om dette skyldes de grafittlignende lagene ved grensesnittet.

Kjemisk stabilitet

Diamanter av silisiumkarbid er ekstremt slitesterke materialer med utmerket kjemisk stabilitet, noe som gjør dem egnet til slitasjeutsatte anvendelser som tetninger, innvendige foringer og dyser. Videre er disse diamantene ypperlige skjæreverktøy. Takket være sin sterke krystallstruktur og gode hardhetsegenskaper er maskinering av silisiumkarbiddiamanter relativt enkel sammenlignet med mange andre harde materialer, og de har også lav friksjonskoeffisient, noe som gjør dem egnet for industriell bruk.

Diamanter av silisiumkarbid har gjennomgått en rask utvikling på grunn av økte krav til slitestyrke. Silisiumkarbid, en uorganisk forbindelse bestående av karbon og silisium med sekskantet krystallstruktur, kan fremstilles i ulike former og størrelser. Edward Goodrich Acheson skapte den første silisiumkarbidforbindelsen i 1891 ved å varme opp leire og pulverisert koks sammen i en jernskål til det dannet seg blå krystaller som ble kjent som karborundum – Acheson mente at dette materialet ville ha større verdi enn kull, da det kunne brukes til å fremstille metaller.

Silisiumkarbid skiller seg sterkt fra ren diamant ved at det har større stabilitet under høye temperaturer og en lav friksjonskoeffisient, samtidig som det er betydelig billigere. Derfor har silisiumkarbid blitt det foretrukne materialet for industrielle formål.

Når a-Si₃N₄-underlagspulver brukes som underlagspulver for diamant-SiC-preformer, forhindrer det dannelse av silisiumkarbid og dannelse av korporasjonslag – noe som dermed øker styrken i grensesnittet mellom diamant og SiC betydelig sammenlignet med konvensjonelle prøver som er innstøpt i smeltet silisium.

Den nøyaktige beskaffenheten til disse grensesnittene er imidlertid fortsatt i stor grad uavklart. Det kan skyldes svakere bindinger mellom grafittplanene eller ulike faser ved grensesnittet, noe som krever videre forskning for å forstå fullt ut.

Energidispersiv røntgenspektrometri (EDX) ble benyttet for å kartlegge fordelingen av atomtettheten i et amorft lag bestående av 3 C-SiC/diamant-materiale. Det ble observert en trinnvis reduksjon i intensitetsprofilene for karbon- og silisiumatomer nær deres naturlige grensesnitt, der karbonet viste en mindre bratt helling. Silisium viste svakt konkave tetthetsprofiler, mens karbonets var mer gradvise.

Mikrostruktur

Diamanter er naturlige edelstener som har blitt dannet over millioner av år, men de kan likevel fremstilles syntetisk til en mye lavere pris i et laboratorium. Silisiumkarbid, en annen syntetisk edelsten med lignende egenskaper, men til en mye lavere pris, er langt mer holdbar og kostnadseffektiv. Den høye brytningsindeksen gjør at den reflekterer lys mer effektivt enn andre edelstener, mens holdbarheten gjør den egnet til daglig bruk. Videre betyr det lave smeltepunktet at den tåler både høye temperaturer og kjemikalier uten å sprekke under trykk.

Mikrostrukturen i diamant-silisiumkarbid-kompositter består vanligvis av gjensidig gjennomtrengende tredimensjonale nettverk av SiC og diamant. Partikkelstørrelse og morfologi bestemmer den endelige strukturen til silisiumkarbider med trippelovergang; vanligvis orienterer atomlagene i det grafittlignende grensesnittet seg vinkelrett mot diamant/SiC-overflaten for å danne tette bindinger med den – tykkelsen på disse lagene er vanligvis mye mindre enn bindingslengden mellom silisiumkarbidatomer og diamantatomlag.

For å oppnå optimal varmeledningsevne hos silisiumkarbid-diamant er det avgjørende å forstå hvordan atomene i materialet samvirker. En synkrotron-røntgenstråle kan brukes til å undersøke grensesnittene mellom diamant og silisiumkarbid, samt deres strukturelle parametere og samspill. Resultatene viste svake interaksjoner mellom partiklene; kontaktområdene mellom diamant- og SiC-partiklene inneholder glassaktige karbonlag, grafittlignende grenselag og mikroporer – noe som tyder på dårlig varmeledningsevne hos diamant.

SiC og diamant står i tett samspill, men materialets styrke avhenger også av mikrostrukturen. Denne mikrostrukturen består av et tredimensjonalt nettverk av diamant- og silisiumkarbidpartikler, med kun minimal grafittaktig mellomlagsdekning over overflaten; dessuten er det denne mikrostrukturen som bestemmer mekaniske egenskaper som bruddmotstand.

Styrken til en utkragende prøve øker jo flere diamant/SiC-grensesnitt som vipper mot den belastede enden, slik det fremgår av molekylære dynamikksimuleringer av parallelle grensesnitt. En prøve med en vinkel på 40 nanometer har vist seg å være spesielt sterk.