Теплопроводность карбида кремния

Карбид кремния, или карборунд (), - это твердая керамика, впервые массово произведенная в 1893 году для использования в качестве абразива. Хотя существуют и природные экземпляры (драгоценные камни муассанит и небольшие количества магматической породы под названием корунд), в большинстве случаев он используется синтетически.

Известно, что SiC обладает высокой усталостной прочностью, высокой теплопроводностью и низким коэффициентом расширения, что делает его пригодным для изготовления изделий, выдерживающих высокие температуры и сохраняющих прочность в коррозионных средах.

Теплофизические свойства

Карбид кремния - один из немногих материалов с высокой теплопроводностью при комнатной температуре. Благодаря своей твердости, жесткости и температурной стабильности карбид кремния является отличным материалом для изготовления зеркал телескопов, используемых астрономами.

Теория функционала плотности была использована для систематического теоретического исследования структурных параметров и конечно-температурных теплофизических свойств кубического карбида кремния (3C-SiC). Полученные нами результаты по упругим константам и микротвердости Кнупа удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, а также с расчетными результатами, опубликованными в других источниках.

Используя оптимизированные структурные модели, мы также получили на атомном уровне оценки энергий образования дефектов для ZrC, TiC и SiC с помощью оптимизированных структурных моделей. Результаты показали, что температура Дебая уменьшается с увеличением числа атомов дефекта, а антиситные дефекты CZr и VC имеют более низкую энергию образования, чем их аналоги VSi и Sit; снижение энергии их образования может повлиять на устойчивость к одноосной и сдвиговой деформации структур 3C-SiC.

Электрические свойства

Карбид кремния - один из самых твердых и теплопроводных материалов, встречающихся в природе. Он устойчив к воздействию кислот и щелочей, а также термостоек до 1600 градусов Цельсия без потери прочности. Кроме того, карбид кремния является отличным проводником электричества.

Широкая полоса пропускания карбида кремния позволяет использовать его в таких полупроводниковых приборах, как диоды, транзисторы и тиристоры, а способность выдерживать большие напряжения и токи делает его полезным и в мощных силовых устройствах.

Пористый SiC можно изменить путем добавления графеновых нанопластинок (GNPs), создав материал с улучшенными тепловыми свойствами. Этот материал может быть изготовлен путем жидкофазного искрового плазменного спекания стехиометрического или нестехиометрического порошка SiC; различные комбинации добавок для спекания (Y2O3 и La2O3) были протестированы для оценки их влияния на фазовый состав, микроструктуру и теплопроводность пористых материалов с содержанием ГНП до 20 об%; для композитов с содержанием ГНП до 20% наблюдалась немонотонная температурная зависимость.

Механические свойства

Уникальный состав атомов кремния и углерода в кристаллической решетке SiC придает ему замечательные механические свойства, которые делают его одним из самых прочных и твердых керамических материалов. Высокая устойчивость к коррозии под воздействием кислот, щелочей, расплавленных солей, а также к истиранию; жесткость и прочность делают SiC привлекательным материалом для износостойких компонентов, таких как шлифовальные круги или сверла в мельницах, расширителях или экструдерах.

Помимо легкости, керамический материал обладает превосходной устойчивостью к тепловым ударам - он может выдерживать температуру до 1600 градусов Цельсия без потери механических свойств и теплового расширения, а низкие показатели теплового расширения и исключительно высокий модуль Юнга обеспечивают стабильность размеров.

Пористость в пористой SiC-керамике зависит от метода ее формирования (реакционное соединение или спекание). Исследования показали, что электропроводность и прочность на изгиб увеличиваются с ростом содержания B4C благодаря его способности адсорбировать кислород из Si-C матрицы и тем самым уменьшать длину рассеяния фононов.

Приложения

Карбид кремния используется в качестве абразива и режущего инструмента в производстве. Благодаря своей твердой и жаропрочной поверхности карбид кремния также можно использовать в качестве электронного полупроводника в диодах и транзисторах, поскольку его допустимое напряжение может превосходить напряжение кремния.

Твердость, устойчивость к коррозии и высокая теплопроводность карбида кремния делают его отличным материалом для изготовления защитного снаряжения, такого как шлемы и бронепластины. Кроме того, благодаря своей химической инертности он не вступает в реакцию с водой, что делает его идеальным для использования в условиях повышенной влажности, например, на космических кораблях и в морской среде.

Рекристаллизованный карбид кремния (RSiC) обладает непревзойденным сочетанием механических, термических и электрических свойств по сравнению с любыми другими разновидностями SiC. Его плотная микроструктура обеспечивает низкий коэффициент расширения RSiC, сохраняя при этом прочность и жесткость при высоких температурах; кроме того, он демонстрирует относительно более высокие значения модуля упругости, чем структурная циркониевая керамика, и имеет низкие значения коэффициента теплового расширения по сравнению со структурной циркониевой керамикой.