Плотность карбида кремния

Карбид кремния (SiC) - один из самых легких, твердых и прочных современных керамических материалов, обладающий превосходной стойкостью к кислотам, расплавленным солям, низким тепловым расширением и абразивному износу. Кроме того, его прочность и жесткость позволяют ему выдерживать физический износ, например, эрозию или износ распылительных форсунок или других компонентов системы.

Ачесон впервые начал промышленное производство SiC в 1891 году с помощью методов реакционного соединения или спекания.

Плотность

Карбид кремния (SiC) - это неорганическое химическое соединение, состоящее из кремния и углерода. Встречается в природе в виде редкого минерала муассанита, а с 1893 года SiC массово производится в виде порошка или монокристаллов и используется в качестве абразива. Более того, керамические пластины SiC, используемые для изготовления пуленепробиваемых жилетов, содержат этот материал, а также выращиваются в качестве полупроводников для создания ярко-красных светодиодных ламп, зеленовато-голубой свет которых является хорошим абразивным материалом для поверхности.

Карбид кремния обладает исключительно высокой плотностью - 3,21 г см-3, что делает его одним из самых плотных соединений на Земле. Хотя он нерастворим в воде, его можно растворить в щелочах, таких как NaOH и KOH, и даже в железе, расплавленном при температуре выше 2700 градусов Цельсия. Кроме того, карбид кремния не вступает в быструю реакцию с воздухом или водой, но может подвергаться химическим реакциям при высоких температурах, в результате которых образуются аморфный диоксид кремния и метан в качестве побочных продуктов.

Карбид кремния является отличным материалом для космических телескопов благодаря своей превосходной износостойкости, низкому тепловому расширению и жесткости. Низкое расширение позволяет охлаждать зеркала телескопов без деформации или плавления при охлаждении; в телескопах Herschel и Gaia использовались зеркала из карбида кремния.

Карбид кремния также может использоваться в качестве сырья для огнеупоров благодаря своей стойкости к экстремальным температурам. Использование этого материала в качестве изоляционной футеровки в печах и обжиговых печах в различных отраслях промышленности делает его неотъемлемой частью этих покрытий. Кроме того, карбид кремния играет важную роль в производстве стекла и керамических материалов.

Спрос на карбид кремния во всем мире быстро растет, особенно в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Быстрый рост в этом регионе объясняется увеличением продаж электромобилей и инвестиций в зарядную инфраструктуру; кроме того, растущий интерес к возобновляемым источникам энергии должен стимулировать спрос на карбид кремния в этом регионе.

Среди игроков рынка, активно расширяющих свое присутствие на мировом рынке карбида кремния, можно назвать STMicroelectronics N.V. из Швейцарии, Infineon Technologies AG из Германии, Semiconductor Components Industries LLC из США, WOLFSPEED INC из США, ROHM Co Ltd из Японии. Для этого эти игроки применяют как органические, так и неорганические стратегии роста, такие как запуск новых продуктов, соглашения, партнерство, заключение договоров о сотрудничестве или расширение производства, чтобы укрепить свои позиции в этой глобальной отрасли.

Модуль Юнга

Карбид кремния - один из самых твердых керамических материалов на Земле, способный выдерживать высокие температуры и химические среды, а также обладающий высокой устойчивостью к коррозии, истиранию и эрозии. Благодаря этим характеристикам карбид кремния является отличным конструкционным материалом с превосходными показателями усталостной прочности и стабильности размеров.

Модуль Юнга - это характеристика материала, которая измеряет упругие свойства образцов, определяя, какое усилие необходимо приложить, чтобы вызвать прогиб под нагрузкой. Испытание на растяжение может быть использовано для расчета модуля Юнга, а его наклон может дать информацию для расчета напряжения при изгибе и позволить инженерам оценить, будут ли новые материалы соответствовать определенным критериям применения.

В данном исследовании изучаются стабильность, механические и термодинамические свойства b-Si1-xC путем проведения первопринципных расчетов с использованием теории функционала плотности (DFT)38 , реализованной в Cambridge serial total energy package (CASTEP). Взаимодействие между ионами и электронами представлено с помощью метода псевдопотенциала плоской дополненной волны; обменные и корреляционные функции между атомами могут быть описаны либо с помощью приближений локальной плотности, либо с помощью обобщенных градиентных приближений; в свою очередь, увеличение легирования увеличивает плотность, молярный объем и модуль Юнга по мере легирования b-Si1-xC.

В другом исследовании пленки a-SiC толщиной 100 и 300 нм были выращены методом PECVD, а их характеристики изучались с помощью эллипсометрии, АСМ и рентгенографии. Теплопроводность и модуль Юнга не показали значительных эффектов масштабирования, в то время как массовая плотность этих тонких пленок была значительно ниже, чем у объемного SiC, из-за уменьшения плотности связей в микроструктурах. Наконец, в них наблюдались такие механические свойства, как высокий модуль Юнга и стабильность.

Пористость материала можно напрямую связать с его модулем Юнга через коэффициент Пуассона, поскольку коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением плотности; используя эту зависимость, можно рассчитать динамический модуль Юнга по его звуковому журналу. Формула:

Теплопроводность

Карбид кремния (SiC) - привлекательный полупроводниковый материал с отличной теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения, что делает его подходящим для многих применений, связанных с генерацией или передачей тепла. SiC можно встретить в зеркалах астрономических телескопов благодаря его легкому весу и жесткости; кроме того, его высокая термостойкость и теплопроводность помогают предотвратить деформацию или разрушение в процессе эксплуатации.

Теплопроводность SiC определяется его составом и структурой. Стехиометрические сорта имеют более высокую теплопроводность, чем нестехиометрические, поскольку свободные электроны оказывают гораздо меньшее влияние на колебания решетки, чем фононы - основной источник тепловой энергии, возникающей при колебаниях кристаллов. Нестехиометрические сорта могут увеличивать теплопроводность при добавлении небольшого количества Si или C; однако их общая теплопроводность все равно отстает от теплопроводности чистого SiC из-за того, что свободные электроны оказывают гораздо меньшее влияние на вибрацию решетки, чем фононы, которые генерируют тепловую энергию термическим путем.

Существует два основных полиморфа SiC: альфа-карбид кремния (a-SiC) с вюрцитовой кристаллической структурой и бета-карбид кремния (b-SiC) с кристаллической структурой бленда цинка. A-SiC является более распространенной разновидностью, имеющей широкое коммерческое применение, в то время как последняя разновидность на сегодняшний день является менее коммерчески активной.

В недавнем исследовании изучалось влияние фазового состава и микроструктуры b-SiC на его теплопроводность. Материал был изготовлен методом жидкофазного искрового плазменного спекания с использованием Y2O3 и Al2O3 в качестве спекающих добавок; измерения теплопроводности были сравнены с теплопроводностью исходного материала b-SiC, и результаты показали его корреляцию с фазовым составом/микроструктурой спекаемой смеси.

Теплопроводность чистого объемного алюминия (Al) составляет 237 Вт/мК, но для тонких пленок часто оказывается гораздо ниже. Для анализа тонких пленок из a-SiC был использован метод термического анализа и измерения ультразвукового отклика, который дал схожие результаты - kAl = 210 + 10 Вт/мК, что соответствует значениям, приведенным в литературе для объемного a-SiC.

Устойчивость к коррозии

Устойчивость карбида кремния к коррозии в кислой или щелочной среде необычайно высока, что делает его идеальным материалом для многих жестких условий эксплуатации, где другие материалы, например металл, быстро разрушаются. Карбид кремния также является отличным выбором материала для механических уплотнений, которые должны работать в агрессивной химической среде.

Коррозионная стойкость карбида кремния отчасти объясняется его уникальной структурой. Он кристаллизуется в виде взаимосвязанной плотной структуры, состоящей из ковалентно связанных атомов, которые образуют первичные координационные тетраэдры с четырьмя атомами углерода и четырьмя атомами кремния, соединенными углами в политипные структуры, называемые политипами; такое расположение и структура также объясняют высокую теплопроводность карбида кремния.

Карбид кремния в чистом виде является электрическим изолятором, однако при тщательном добавлении примесей - так называемых допантов - он может стать электрическим полупроводником. Легирование карбида кремния алюминием, бором и галлием позволяет получить полупроводники P-типа, а легирование азотом и фосфором - полупроводниковые устройства N-типа для конкретных целей.

Благодаря своей твердости и прочности карбид кремния широко используется в процессах абразивной обработки, таких как пескоструйная обработка, шлифование и гидроабразивная резка. В лапидарных работах карбид кремния часто используется из-за его долговечности и износостойкости; кроме того, он служит отличным выбором материала благодаря долговечности и стабильности размеров в лапидарных работах. Кроме того, в производстве он служит материалом для футеровки печей, а также используется в различных металлургических или огнеупорных областях благодаря своим чрезвычайно износостойким свойствам.

Коррозионная стойкость - ключевой фактор, определяющий скорость разрушения материалов в окружающей среде. Поэтому выбор неорганического материала покрытия с высокой температурой плавления, хорошими механическими свойствами и способностью переносить экстремальные температуры имеет первостепенное значение при защите изделий от разрушения и загрязнения. Карбид кремния обладает этими качествами и поэтому является идеальным вариантом при выборе материала покрытия.

Современные технологии производства карбида кремния для использования в абразивной, металлургической и огнеупорной промышленности включают два метода производства - реакционно связанный карбид кремния (RSiC) и спеченный карбид кремния (SSiC). Реакционно связанный карбид кремния создается путем инфильтрации смеси кристаллитов SiC со связующим под температурой и давлением; спеченный карбид кремния может быть произведен с использованием чистого порошка SiC, спеченного с использованием неоксидных агентов спекания - оба метода дают продукты с превосходной коррозионной стойкостью, а также экстремальной твердостью / сопротивлением разрушению, что приводит к отличным механическим свойствам.