Silicon Carbide Thermal Conductivity

Silisiumkarbid, eller karborundum (), er en hard keramikk som først ble masseprodusert i 1893 for bruk som slipemiddel. Selv om det finnes naturlige forekomster (moissanitt-stein og små mengder som en magmatisk bergart kalt korund), er det meste av dagens bruk syntetisk.

SiC er kjent for å ha høy utmattingsmotstand, høy varmeledningsevne og lav ekspansjonskoeffisient, noe som gjør det egnet til å tåle høye temperaturer samtidig som det forblir sterkt i korrosive miljøer.

Termofysiske egenskaper

Silisiumkarbid er et av få materialer med høy varmeledningsevne ved romtemperatur. På grunn av sin harde, stive og temperaturstabile natur er silisiumkarbid et utmerket materialvalg til bruk i teleskopspeil som brukes av astronomer.

Tetthetsfunksjonalteori ble brukt til systematiske teoretiske undersøkelser av de strukturelle parametrene og termofysiske egenskapene til kubisk silisiumkarbid (3C-SiC) ved endelig temperatur. Resultatene våre med hensyn til elastiske konstanter og Knoop-mikrohardhet viste tilfredsstillende samsvar med eksperimentelle data samt beregnede funn publisert andre steder.

Ved å bruke optimaliserte strukturmodeller fikk vi også estimater på atomnivå av defektdannelsesenergier for ZrC, TiC og SiC ved hjelp av optimaliserte strukturmodeller. Resultatene viste at Debye-temperaturen synker med økende antall defektatomer, mens CZr-antisitt- og VC-defekter har lavere dannelsesenergi enn de tilsvarende VSi- og Sit-defektene. Reduksjonen i dannelsesenergi kan påvirke motstanden mot enakset og skjærdeformasjon av 3C-SiC-strukturer.

Elektriske egenskaper

Silisiumkarbid er et av de hardeste og mest varmeledende materialene som finnes i naturen, og det motstår angrep fra både syrer og baser, samtidig som det er varmebestandig opp til 1600 grader Celsius uten å miste styrke. Silisiumkarbid er dessuten en utmerket elektrisk leder.

Silisiumkarbidets brede båndgap gjør det egnet til bruk i halvlederkomponenter som dioder, transistorer og tyristorer, og dets evne til å motstå store spenninger og strømmer gjør det også anvendelig i høyeffektsenheter.

Porøs SiC kan endres ved å tilsette grafén-nanoplater (GNP), noe som gir et materiale med forbedrede termiske egenskaper. Dette materialet kan fremstilles ved hjelp av gnistplasmasintring i flytende fase av enten støkiometrisk eller off-støkiometrisk SiC-pulver. Ulike kombinasjoner av sintringshjelpemidler (Y2O3 og La2O3) ble testet for å evaluere effekten på fasesammensetningen, mikrostrukturen og varmeledningsevnen til porøse materialer med opptil 20 vol% GNP-innhold; ikke-monoton temperaturavhengighet ble observert med kompositter som inneholdt opptil 20% GNP.

Mekaniske egenskaper

SiCs unike sammensetning av silisium- og karbonatomer i krystallgitteret gir det bemerkelsesverdige mekaniske egenskaper som gjør det til et av de seigeste og hardeste keramiske materialene. Det er svært motstandsdyktig mot korrosjon fra syrer, lut, smeltede salter og slitasje. Stivheten og styrken gjør SiC til et attraktivt materialvalg for slitesterke komponenter som slipeskiver eller bor i kverner, ekspandere eller ekstrudere.

I tillegg til å være lett, har keramisk materiale utmerket motstand mot termiske sjokk - det tåler temperaturer på opptil 1600 °C uten å miste sine mekaniske egenskaper eller sin termiske ekspansjon, med lave termiske ekspansjonshastigheter og en eksepsjonelt høy Youngs modul som gir dimensjonsstabilitet.

Porøsiteten i porøs SiC-keramikk varierer avhengig av formingsmetoden (reaksjonsbinding eller sintring). Studier har vist at både elektrisk ledningsevne og bøyestyrke øker med økende innhold av B4C på grunn av dets evne til å adsorbere oksygen fra Si-C-matriksmaterialer og dermed redusere fononspredningslengden.

Bruksområder

Silisiumkarbid brukes både som slipemiddel og skjæreverktøy i industrien. På grunn av den harde og varmebestandige overflaten brukes silisiumkarbid også som elektronisk halvleder i dioder og transistorer, ettersom spenningstoleransen kan overgå silisium.

Silisiumkarbidets hardhet, korrosjonsbestandighet og høye varmeledningsevne gjør det til et utmerket materiale for verneutstyr som hjelmer og panserplater. I tillegg er det kjemisk inert, noe som betyr at det ikke reagerer med vann, noe som gjør det ideelt for bruk i miljøer med høy luftfuktighet, for eksempel i romfartøyer og marine miljøer.

Rekrystallisert silisiumkarbid (RSiC) kan skilte med en uovertruffen blanding av mekaniske, termiske og elektriske egenskaper som ingen andre SiC-varianter. Den tette mikrostrukturen gir RSiC lav ekspansjonskoeffisient, samtidig som den opprettholder styrke og stivhet ved høye temperaturer. I tillegg har den relativt høyere elastisitetsmodulverdier enn strukturell zirkoniakeramikk og lave verdier for termisk ekspansjonskoeffisient sammenlignet med strukturell zirkoniakeramikk.