Silicon Carbide Thermal Conductivity

Carbura de siliciu sau carborundul () este o ceramică dură produsă în masă pentru prima dată în 1893 pentru a fi utilizată ca abraziv. Deși există cazuri naturale (pietre prețioase din moissanit și cantități mici sub formă de rocă ígnea numită corindon), cea mai mare parte a utilizării moderne se face pe cale sintetică.

SiC este cunoscut pentru că prezintă o rezistență ridicată la oboseală, o conductivitate termică ridicată și un coeficient de dilatare scăzut, ceea ce îl face potrivit pentru a rezista la temperaturi ridicate, rămânând în același timp puternic în medii corozive.

Proprietăți termofizice

Carbura de siliciu este unul dintre puținele materiale cu o conductivitate termică ridicată la temperatura camerei. Datorită naturii sale dure, rigide și stabile la temperatură, carbura de siliciu este un material excelent pentru oglinzile telescoapelor folosite de astronomi.

Teoria funcțională a densității a fost utilizată pentru investigații teoretice sistematice ale parametrilor structurali și ale proprietăților termofizice la temperatură finită ale carburii de siliciu cubice (3C-SiC). Rezultatele noastre privind constantele elastice și microdurețea Knoop au arătat o concordanță satisfăcătoare cu datele experimentale, precum și cu rezultatele calculate publicate în altă parte.

Prin utilizarea modelelor de structură optimizate, am obținut, de asemenea, estimări la nivel atomic ale energiilor de formare a defectelor pentru ZrC, TiC și SiC folosind modele de structură optimizate. Rezultatele au arătat că temperatura Debye scade odată cu creșterea numărului de atomi de defect, în timp ce defectele CZr antisite și VC prezintă energii de formare mai mici decât defectele lor omologe VSi și Sit; reducerea energiei de formare a acestora poate avea un impact asupra rezistenței la deformarea uniaxială și de forfecare a structurilor 3C-SiC.

Proprietăți electrice

Carbura de siliciu este unul dintre cele mai dure și mai termo-conductoare materiale din natură, rezistentă atât la atacul acizilor, cât și la cel al alcalinelor, fiind în același timp rezistentă la temperaturi de până la 1600 de grade Celsius, fără pierdere de rezistență. În plus, carbura de siliciu este un excelent conductor electric.

Bandgap-ul larg al carburii de siliciu o face potrivită pentru utilizarea în dispozitive semiconductoare precum diode, tranzistoare și tiristoare, în timp ce capacitatea sa de a rezista la tensiuni și curenți mari o face utilă și în dispozitivele de putere mare.

SiC poros poate fi modificat prin adăugarea de nanoplachete de grafen (GNP), creând un material cu proprietăți termice îmbunătățite. Acest material poate fi fabricat prin sinterizarea cu plasmă cu scântei în fază lichidă a pulberii de SiC stoichiometrice sau nestoichiometrice; au fost testate diferite combinații de adjuvanți de sinterizare (Y2O3 și La2O3) pentru a evalua efectele acestora asupra compoziției fazelor, microstructurii și conductivității termice a materialelor poroase cu un conținut de GNP-uri de până la 20 vol%; a fost observată o dependență nemonotonă de temperatură în cazul compozitelor care conțin un conținut de GNP-uri de până la 20%.

Proprietăți mecanice

Compoziția unică de atomi de siliciu și de carbon din rețeaua cristalină a SiC îi conferă proprietăți mecanice remarcabile care îl fac unul dintre cele mai dure și mai rezistente materiale ceramice. Extrem de rezistent la coroziunea provocată de acizi, leșie, săruri topite, precum și la abraziune; rigiditatea și rezistența fac din SiC o alegere atractivă de material pentru componente rezistente la uzură, cum ar fi discurile de rectificat sau burghiele din mori, expandatoare sau extrudatoare.

Pe lângă faptul că este ușor, materialul ceramic prezintă o rezistență excelentă la șocurile termice - poate suporta temperaturi de până la 1600degC fără a-și pierde proprietățile mecanice sau expansiunea termică, cu rate scăzute de expansiune termică și un modul Young excepțional de ridicat care asigură stabilitate dimensională.

Porozitatea ceramicii SiC poroase variază în funcție de metoda de formare a acestora (lipire prin reacție sau sinterizare). Studiile au demonstrat că atât conductivitatea electrică, cât și rezistența la flexiune cresc odată cu creșterea conținutului de B4C, datorită capacității sale de a adsorbi oxigenul din materialele cu matrice Si-C și, astfel, de a reduce lungimea de dispersie a fononilor.

Aplicații

Carbura de siliciu este utilizată atât ca abraziv, cât și ca unealtă de tăiere în producție. Datorită suprafeței sale dure și rezistente la căldură, carbura de siliciu poate fi folosită și ca semiconductor electronic în diode și tranzistori, deoarece toleranța sa la tensiune o poate depăși pe cea a siliciului.

Duritatea carburii de siliciu, rezistența la coroziune și conductivitatea termică ridicată fac din ea un material excelent pentru echipamentele de protecție, cum ar fi căștile și plăcile de armură. În plus, inerția sa chimică înseamnă că nu reacționează cu apa, ceea ce îl face ideal pentru utilizarea în medii cu umiditate ridicată, cum ar fi navele spațiale și mediile marine.

Carbura de siliciu recristalizat (RSiC) se mândrește cu un amestec de proprietăți mecanice, termice și electrice de neegalat față de orice altă variantă de SiC. Microstructura sa densă conferă RSiC un coeficient de dilatare scăzut, menținând în același timp rezistența și rigiditatea la temperaturi ridicate; în plus, prezintă valori relativ mai mari ale modulului de elasticitate decât ceramica structurală de zirconiu și are valori scăzute ale coeficientului de dilatare termică în comparație cu ceramica structurală de zirconiu.