Varmeledningsevnen og styrken til silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er en slitesterk, ikke-oksidbasert keramikk som er kjent for sin styrke og varmebestandighet. Det brukes i applikasjoner som krever høy termisk utholdenhet med minimal utvidelse.

SiCs varmeledningsevne øker med temperaturen opp til et visst punkt, men på grunn av urenheter eller strukturelle feil avtar den gradvis over tid – dette fenomenet gjelder for mange materialer.

Sølv

Sølv er et av de mest utbredte metallene på jorden og har høy varmeledningsevne, noe som gjør at det brukes i stor utstrekning i mange bransjer, blant annet i produksjon av loddepasta og kondensatorer. Sølvets lave termiske utvidelseskoeffisient og formbarhet gjør det også egnet for bruksområder som krever høy varmeoverføring fra substrat til chip, for eksempel i loddepasta til kraftelektronikk.

Silisiumkarbid er et ildfast keramisk materiale som tåler høye temperaturer og har svært lav elektrisk motstand (1 ohm cm). I tillegg ligger varmeledningsevnen mellom 120 og 270 W/mK. Videre er dette sterke materialet motstandsdyktig mot oksidasjon og korrosjon, i tillegg til at det er ekstremt hardt. På grunn av disse egenskapene er silisiumkarbid et ideelt materialvalg for bruk i applikasjoner som krever både slitestyrke og høye temperaturer.

Varmeledningsevnen til SiC henger tett sammen med gittertemperaturen, som igjen styres av elektronkonsentrasjonen i krystallstrukturen. Når elektronkonsentrasjonen øker, synker gittertemperaturen, og varmeledningsevnen øker proporsjonalt. Forskerne målte varmeledningsevnen i kubisk flate-sentrert polykrystallinsk SiC produsert ved hjelp av kjemisk dampavsetning (CVD). De oppdaget at prøven med høyest renhet (3C-SiC) hadde en varmeledningsevne som tilsvarer både diamant og kobber, og som er 50% høyere enn kommersielt tilgjengelige 6H-SiC-materialer.

Forskerne undersøkte også virkningene av urenheter på varmeledningsevnen til CVD-SiC ved bevisst å dotere det med bor- og nitrogen-doteringsstoffer, og fant at tilsetning av bor reduserte varmeledningsevnen betydelig – i samsvar med teoretiske forutsigelser fra tidligere arbeid – mens nitrogen-doping ikke hadde noen merkbar innvirkning på elektronkonsentrasjonen i krystallstrukturen, noe som bekreftes av at varmeledningsevnen ikke ble redusert ved doping med dette elementet.

Forfatterne publiserte forskningsresultatene sine i “Applied Physics A” og oppga ingen interessekonflikter som kunne påvirke den rapporterte forskningen. Manuskriptet ble vurdert av minst to uavhengige eksperter før det ble godkjent; dr. Michael R. Schreck, direktør ved NIST Center for Nanoscale Science and Engineering, og dr. Stephen L. Kost, professor i fysikk ved University of Maryland College Park, var spesielt behjelpelige med å vurdere manuskriptet og komme med forslag.

Kobber

Silisiumkarbid (SiC) er et uorganisk halvledermateriale som består av silisium og karbon. SiC har utmerkede egenskaper når det gjelder motstand mot termisk sjokk, noe som gjør det egnet for bruksområder som krever lav utvidelse, høy varmebestandighet og raske temperaturendringer – ideelt for høy varmebestandighet uten overdreven utvidelse. Videre har SiC også utmerket kjemisk stabilitet samt svært høy varmeledningsevne.

Materialers varmeledningsevne avhenger av deres sammensetning og egenskapene til grensesnittene mellom fasene. Når de brukes som flerfasekompositter, for eksempel Al-SiC eller Cu-SiC, avhenger varmeledningsevnen derfor av samspillet mellom kobber- og SiC-fasene, noe som må undersøkes grundig for å oppnå nøyaktige data om varmeledningsevnen til disse materialene.

Forskning på grensesnittene mellom kobber og SiC har gitt noen spennende funn. Et av disse funnene var at belegging av SiC med sfæriske kobberpartikler forbedrer komprimerbarheten til MMC-materialer betydelig, på grunn av det reduserte kontaktarealet mellom tilstøtende partikler, noe som fører til mindre friksjonsmotstand.

Kobberets tilstedeværelse øker ikke bare komprimerbarheten til SiC/Cu-MMC-materialer, men forbedrer også deres varmeledningsevne betydelig. Dette skyldes at SiC og kobber har lignende krystallstrukturer med betydelig overlapping i gitterparametrene, noe som muliggjør energioverføring på tvers av grensesnittene mellom dem.

Man må ta hensyn til dette når man bruker disse materialene i applikasjoner for varmestyring der grensesnittets varmeledningsevne er avgjørende. Spesielt SiC/Cu-MMC-er kan være særlig fordelaktige i situasjoner der grensesnittets varmeledningsevne må være høyere enn den i selve materialet.

En faktor som bidrar til at SiC/Cu-MMC-er har høyere varmeledningsevne enn rent SiC, er forekomsten av flere fononspredningshendelser ved grensesnittet mellom dem, noe som øker varmeledningsevnen dramatisk med flere størrelsesordener.

Aluminium

Silisiumkarbid er et hardt, sprøtt halvleder med utmerket varmeledningsevne som kan omdannes til metall ved å dotere det med nitrogen-, fosfor- eller aluminiumatomer. Silisiumkarbid var et av de første kommersielt viktige halvledermaterialene; det ble brukt til å konstruere “carborundum”, en tidlig krystallradiosender som ble patentert i 1906. Selv om rent silisiumkarbid er fargeløst på grunn av jernforurensninger, har industriprodukter vanligvis brune til svarte nyanser på grunn av forurensninger.

Varmeledningsevnen til silisiumkarbid avhenger både av dets morfologi og sammensetningen av legeringselementene, samt av hvor mye som finnes i fast løsning. Legeringselementene fører til forvrengning av krystallgitteret og skaper nye grensesnitt som sprer elektroner på en annen måte enn eksisterende grensesnitt, noe som reduserer varmeledningsevnen ved å svekke den ytterligere.

Cu i en legering av aluminium og silisiumkarbid har lavere varmeledningsevne enn Al₂Cu på grunn av forskjellige krystallstrukturer; dette spiller en avgjørende rolle for materialets mekaniske egenskaper og bør tas i betraktning ved utformingen.

Dette brukerobjektet inneholder termiske egenskaper for monolitisk silisiumkarbid, herunder dets varmeledningsevne og isobarisk spesifikk varmekapasitet som en funksjon av temperaturen. Videre inneholder dette brukerobjektet informasjon om dets termiske utvidelseskoeffisient som en funksjon av både temperatur og trykk.

Aluminiumbundet silisiumkarbid (ALTRON) er et spesialutviklet produkt som gir enestående slitestyrke og korrosjonsbestandighet til en attraktiv pris. ALTRON kan formes til ulike komplekse former uten at det medfører kostbare oppsettkostnader for verktøy, og kan dessuten sveises eller hardloddes sammen med andre legeringer, slik at komponenter kan ferdigstilles raskere enn med konkurrerende materialer.

ALTRON-prosessen benytter en innovativ, egenutviklet teknikk for å smelte aluminiumoksid og silisiumkarbid sømløst sammen til et forbedret komposittmateriale. Dette produktet kombinerer materialenes overlegne fysiske egenskaper, samtidig som det reduserer kostnadene ved å unngå tradisjonelle prosesser for fremstilling av hardverktøy. Resultatet er store områder med åpen kornstruktur som gir økt bearbeidbarhet samt økt strekkfasthet, noe som resulterer i kompakte deler med overlegen slitestyrke, kjemisk stabilitet og kjemisk holdbarhet, noe som gjør dem egnet for krevende bruksområder.

Andre metaller

Silisiumkarbid er et materiale med enestående varmeledningsevne, utrolig styrke og holdbarhet, som ikke påvirkes av syrer, baser eller smeltede salter, og som tåler temperaturer på 1600 °C uten å smelte. Takket være denne imponerende kombinasjonen av egenskaper blir det et stadig mer populært valg for presisjonsbearbeidede deler, samt som ikke-reaktiv korrosjonsbeskyttelse mot en rekke materialer – perfekt for tøffe miljøer!

Silisiumkarbid utmerker seg ved sin overlegne varmeledningsevne og lave termiske utvidelseskoeffisient, noe som gjør det til et utmerket materialvalg for komponenter som må fungere over et bredt temperaturområde. Videre bidrar dets eksepsjonelle styrke og kjemiske motstand til å beskytte mot skader forårsaket av slitasje, støt, vibrasjoner og eksponering for termisk sjokk; i tillegg har det svært god motstand mot termisk sjokk, noe som gjør at det tåler gjentatte eksponeringer uten at komponentene blir skadet.

Varmeledningsevnen til SiC-materialet øker med temperaturen, ettersom varmeoverføringsmekanismene blir mer entropiske ved høyere temperaturer, noe som øker den spesifikke varmen – et mål på hvor mye energi som kreves for å øke temperaturen med én Kelvin-grad. Dette fører til en økning i materialets spesifikke varme.

Silisiumkarbids lave spesifikke varme gjør det til et utmerket materialvalg for speil i astronomiske teleskoper, der polykrystallinske former fremstilles ved hjelp av kjemisk dampavsetning for å danne harde, sterke skiver av polykrystallinsk silisium som har god varmeledningsevne.

Doping av polykrystallinsk silisium med sjeldne jordartsmetaller er en annen måte å øke dets varmeledningsevne på og bidra til at det fungerer mer effektivt i ulike anvendelser. Slike dopemidler kan øke varmeledningsevnen med så mye som 30 %, noe som bidrar til å forbedre ytelsen betydelig i et bredere spekter av produkter.

Man bør imidlertid huske på at målinger av fononers gjennomsnittlige frie vei kan påvirkes av krystallstrukturen og matriksens egenskaper, noe som dermed begrenser deres anvendelighet som nøyaktige mål på varmeledningsevnen i faste stoffer. Derfor bør man ofte benytte andre fysiske egenskaper ved prøven for å oppnå pålitelige verdier for varmeledningsevnen når man sammenligner eksperimentelle eller teoretiske datasett.