Przewodność cieplna węglika krzemu

Węglik krzemu, czyli karborund (), to twarda ceramika wyprodukowana po raz pierwszy na masową skalę w 1893 r. do użytku jako materiał ścierny. Choć istnieją jego naturalne odmiany (klejnoty moissanitowe i niewielkie ilości w postaci skały magmowej zwanej korundem), większość współczesnych zastosowań ma charakter syntetyczny.

SiC jest znany z wysokiej odporności na zmęczenie, wysokiej przewodności cieplnej i niskiego współczynnika rozszerzalności; dzięki czemu nadaje się do produkcji, aby wytrzymać wysokie temperatury, pozostając jednocześnie wytrzymałym w środowiskach korozyjnych.

Właściwości termofizyczne

Węglik krzemu jest jednym z niewielu materiałów o wysokiej przewodności cieplnej w temperaturze pokojowej. Ze względu na swoją twardość, sztywność i stabilność temperaturową, węglik krzemu jest doskonałym materiałem do stosowania w zwierciadłach teleskopów używanych przez astronomów.

Teoria funkcjonału gęstości została wykorzystana do systematycznych badań teoretycznych parametrów strukturalnych i skończonych właściwości termofizycznych sześciennego węglika krzemu (3C-SiC). Nasze wyniki dotyczące stałych sprężystości i mikrotwardości Knoopa wykazały zadowalającą zgodność z danymi eksperymentalnymi, jak również z wynikami obliczeń opublikowanymi gdzie indziej.

Wykorzystując zoptymalizowane modele struktury, uzyskaliśmy również oszacowania energii tworzenia defektów na poziomie atomowym dla ZrC, TiC i SiC. Wyniki ujawniły, że temperatura Debye'a maleje wraz ze wzrostem liczby atomów defektów, podczas gdy antysytety CZr i defekty VC wykazują niższe energie formowania niż ich odpowiedniki VSi i defekty Sit; zmniejszenie ich energii formowania może wpływać na odporność na jednoosiowe i ścinające odkształcenia struktur 3C-SiC.

Właściwości elektryczne

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych i najlepiej przewodzących ciepło materiałów występujących w przyrodzie, odpornym na działanie kwasów i zasad, a jednocześnie odpornym na temperaturę do 1600 stopni Celsjusza bez utraty wytrzymałości. Ponadto węglik krzemu jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym.

Szerokie pasmo przenoszenia węglika krzemu sprawia, że nadaje się on do stosowania w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak diody, tranzystory i tyrystory, a jego zdolność do wytrzymywania dużych napięć i prądów sprawia, że jest on również przydatny w urządzeniach dużej mocy.

Porowaty SiC może być modyfikowany poprzez dodanie nanopłytek grafenowych (GNP), tworząc materiał o ulepszonych właściwościach termicznych. Materiał ten może być wytwarzany poprzez spiekanie plazmą iskrową w fazie ciekłej stechiometrycznego lub niestechiometrycznego proszku SiC; przetestowano różne kombinacje środków wspomagających spiekanie (Y2O3 i La2O3) w celu oceny ich wpływu na skład fazowy, mikrostrukturę i przewodność cieplną porowatych materiałów o zawartości do 20 vol% GNP; niemonotoniczną zależność temperaturową zaobserwowano w przypadku kompozytów zawierających do 20% GNP.

Właściwości mechaniczne

Unikalna kompozycja atomów krzemu i węgla w sieci krystalicznej SiC nadaje mu niezwykłe właściwości mechaniczne, które czynią go jednym z najtwardszych i najtwardszych materiałów ceramicznych. Wysoka odporność na korozję powodowaną przez kwasy, ługi, stopione sole, a także ścieranie; sztywność i wytrzymałość sprawiają, że SiC jest atrakcyjnym materiałem do produkcji elementów odpornych na zużycie, takich jak ściernice lub wiertła w młynach, ekspanderach lub wytłaczarkach.

Oprócz lekkości, materiał ceramiczny wykazuje doskonałą odporność na szok termiczny - może wytrzymać temperatury do 1600 ° C bez utraty właściwości mechanicznych lub rozszerzalności cieplnej, przy niskich współczynnikach rozszerzalności cieplnej i wyjątkowo wysokim module Younga zapewniającym stabilność wymiarową.

Porowatość porowatej ceramiki SiC różni się w zależności od metody jej formowania (spajanie reakcyjne lub spiekanie). Badania wykazały, że zarówno przewodność elektryczna, jak i wytrzymałość na zginanie rosną wraz ze wzrostem zawartości B4C ze względu na jego zdolność do adsorpcji tlenu z materiałów matrycowych SiC, a tym samym zmniejszenia długości rozpraszania fononów.

Zastosowania

Węglik krzemu jest stosowany zarówno jako materiał ścierny, jak i narzędzie tnące w produkcji. Ze względu na twardą i odporną na ciepło powierzchnię, węglik krzemu można również znaleźć jako półprzewodnik elektroniczny w diodach i tranzystorach, ponieważ jego tolerancja napięcia może przewyższać krzem.

Twardość węglika krzemu, jego odporność na korozję i wysoka przewodność cieplna sprawiają, że jest on doskonałym materiałem na wyposażenie ochronne, takie jak hełmy i płyty pancerne. Co więcej, jego obojętność chemiczna oznacza, że nie reaguje z wodą, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w warunkach wysokiej wilgotności, takich jak statki kosmiczne i środowiska morskie.

Rekrystalizowany węglik krzemu (RSiC) charakteryzuje się niezrównanym połączeniem właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych w porównaniu z innymi wariantami SiC. Jego gęsta mikrostruktura zapewnia RSiC niski współczynnik rozszerzalności przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości i sztywności w wysokich temperaturach; ponadto wykazuje stosunkowo wyższe wartości modułu sprężystości niż strukturalna ceramika cyrkonowa i ma niskie wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej w porównaniu ze strukturalną ceramiką cyrkonową.