Karbid kremíka je mimoriadne tvrdý, ale stále menej tvrdý ako diamant. Stále však patrí na druhé miesto medzi extrémne tvrdými materiálmi.
Pórovité diamantové preformy s uhlíkovou väzbou sa infiltrujú infiltráciou kremíka kapilárnou silou pri teplotách presahujúcich jeho teplotu topenia, pričom sa uhlíkové spojivo mení na grafit.
Tepelná vodivosť
Diamant z karbidu kremíka je extrémne vysokoteplotný materiál s vynikajúcou tepelnou vodivosťou, ktorý sa široko používa v elektrotechnike, elektronike a priemysle. Medzi jeho aplikácie patrí chladenie a ohrev polovodičov, tranzistorov a výkonových LED diód, ako aj aplikácií na osvetlenie LED displejov. Tepelná vodivosť kompozitov SiC/diamant závisí od viacerých faktorov vrátane množstva a veľkosti diamantu, zloženia ich spojovacieho materiálu a štruktúry ich rozhraní medzi komponentmi, ako aj vplyvu grafitovej medzivrstvy na tepelnú vodivosť tohto materiálu.
Vytvorenie vysoko odolných materiálov proti opotrebovaniu s vynikajúcou tepelnou vodivosťou je od minulého desaťročia trvalým cieľom výskumu a vývoja. "Diamantové materiály z karbidu kremíka" možno vyrobiť infiltráciou tekutého kremíka prostredníctvom kapilárnych síl pri teplotách vyšších ako 1425 stupňov Celzia, čím sa vytvoria kubické štruktúry b-SiC, ktoré by mohli nahradiť tradičné oceľové materiály ako ložiská, tesnenia alebo vložky v priemyselných aplikáciách.
Na dosiahnutie optimálnej tepelnej vodivosti v kompozitoch SiC/diamant možno na zvýšenie tepelnej vodivosti použiť bimodálne rozloženie diamantových zŕn rôznych veľkostí a frakcií. Bimodálne systémy ponúkajú výrazne vyššiu tepelnú vodivosť v porovnaní s monomodálnymi systémami vďaka tomu, že medzi diamantovými zrnami a ich hostiteľskou matricou z matricového materiálu b-SiC sú grafitické atómové vrstvy.
Okrem toho sú grafitové atómové vrstvy usporiadané kolmo na rozhranie, čím sa vytvárajú bimodálne systémy s relatívne veľkým povrchom, ktorý zvyšuje tepelnú vodivosť. Tepelná vodivosť sa ešte zvyšuje, ak sa diamant speká pri vyšších teplotách alebo sa počas infiltrácie kremíka udržiava kratší čas - čím sa zvyšuje nad rámec tepelnej vodivosti čistého b-SiC! Okrem toho tepelná vodivosť materiálov závisí aj od množstva voľného kremíka a diamantu.
Tvrdosť
Karbid kremíka, ktorý sa skladá z atómov kremíka a uhlíka, má vynikajúcu tvrdosť 9,5 podľa Mohsa, čím sa radí na druhé miesto po diamante, pokiaľ ide o tvrdosť. Vďaka svojej pevnosti a trvanlivosti nachádza karbid kremíka početné priemyselné využitie.
Karbid kremíka má mnoho spoločných vlastností s diamantom, vrátane jeho kryštálovej štruktúry, ktorá je tetraedrická - štyri atómy každého prvku zdieľajú jednu kubickú mriežku s centrovaným povrchom a vytvárajú silné kovalentné väzby podobné silným tetraedrickým väzbám diamantu - ako aj vysokú pevnosť v ťahu a nízky koeficient trenia, čo z oboch materiálov robí skvelé materiály na obrobky.
Karbid kremíka sa môže vyrábať viacerými technikami, pričom syntetický karbid kremíka sa vyrába tavením kremenného piesku, ropného koksu (alebo uhoľného koksu), drevnej štiepky alebo iných surovín vo vysokoteplotných peciach. Po vytvorení karbid kremíka vykazuje tvrdosť, má zvýšenú teplotu topenia a odoláva oxidácii aj pri extrémnych teplotných podmienkach.
Karbid kremíka má mnoho praktických využití v priemysle. Jedným z nich je použitie v brúsnych materiáloch. Vďaka svojej výnimočnej odolnosti a pevnosti je karbid kremíka nenahraditeľnou súčasťou brúsnych papierov, brúsnych kotúčov a rezných nástrojov. Karbid kremíka sa používa aj ako izolačná zložka v priemyselných peciach, ako aj ako súčiastky odolné voči opotrebovaniu na čerpadlách a raketových motoroch a ako polovodičové substráty používané na výrobu svetelných diód (LED).
Existujú rôzne metódy výroby karbidu kremíka. Tradičné techniky zahŕňajú použitie procesu spekania, pri ktorom sa práškový kremík a uhlík kombinujú vo vysokotlakovej tavenine, aby sa vytvoril spekaný blok karbidu kremíka, ktorý sa potom môže rezať na požadované tvary a veľkosti. Iná alternatíva zahŕňa reakciu tekutého kremíka s pórovitým grafitom, čím sa vytvorí čierny syntetický moissanit, ktorý má niektoré rovnaké mechanické vlastnosti bez toho, aby bol taký nákladný.
Zistilo sa, že špeciálne vyrobené diamantové materiály s väzbou karbidu kremíka s grafitovými medzivrstvami na rozhraní sa vyznačujú výnimočne vysokou pevnosťou, ktorá prevyšuje dokonca aj pevnosť bezgrafitových rozhraní diamant/SiC, hoci nie je jasné, či je to spôsobené medzivrstvami grafitu.
Chemická stabilita
Diamanty z karbidu kremíka sú extrémne odolné materiály s vynikajúcou chemickou stabilitou, vďaka čomu sú vhodné na použitie pri opotrebovaní, ako sú tesnenia, vložky a dýzy. Okrem toho sú tieto diamanty skvelými reznými nástrojmi. Vďaka ich silnej kryštálovej štruktúre a dobrým vlastnostiam tvrdosti je obrábanie diamantov karbidu kremíka v porovnaní s mnohými inými tvrdými materiálmi pomerne jednoduché a majú aj nízky koeficient trenia, vďaka čomu sú vhodné na priemyselné použitie.
Diamanty z karbidu kremíka zaznamenali rýchly vývoj v dôsledku zvýšených požiadaviek na odolnosť proti opotrebovaniu. Karbid kremíka, anorganická zlúčenina pozostávajúca z uhlíka a kremíka s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou, sa môže vyrábať v rôznych tvaroch a veľkostiach. Edward Goodrich Acheson vytvoril prvú zlúčeninu karbidu kremíka v roku 1891 zahrievaním ílu a práškového koksu v železnej miske, až kým sa nevytvorili modré kryštály, ktoré boli známe ako karborundum - Acheson veril, že tento materiál bude mať vyššiu hodnotu ako uhlie, pretože sa dá použiť na výrobu kovov.
Karbid kremíka sa od čistého diamantu výrazne líši tým, že má väčšiu stabilitu pri vysokých teplotách a nízky koeficient trenia, pričom je výrazne lacnejší. Preto sa karbid kremíka stal obľúbeným materiálom na priemyselné použitie.
Keď sa používa ako podkladový prášok pre diamantovo-siC predlisky, podkladový prášok a-Si3N4 zabraňuje tvorbe karbidu kremíka a tvorbe korporátnych vrstiev - čím výrazne zvyšuje pevnosť diamantovo-siC rozhrania v porovnaní s bežnými vzorkami vloženými do roztaveného kremíka.
Presná povaha týchto rozhraní však zostáva z veľkej časti neobjasnená. Mohlo by ísť o dôsledok slabších väzieb medzi grafitovými rovinami alebo rôznych fáz na rozhraní, ktoré si vyžadujú ďalší výskum, aby sa plne pochopili.
Na posúdenie rozloženia atómovej hustoty v amorfnej vrstve z materiálu 3 C-SiC/diamant bola použitá energetická disperzná röntgenová spektrometria (EDX). V profiloch intenzity atómov uhlíka a kremíka v blízkosti ich as-bonded rozhrania sa pozoroval postupný pokles, pričom uhlík vykazoval menej strmý sklon. Kremík vykazoval mierne konkávne profily hustoty, zatiaľ čo profily uhlíka boli pozvoľnejšie.
Mikroštruktúra
Diamanty sú prírodné drahokamy, ktoré vznikali milióny rokov, ale ich výroba sa dá uskutočniť synteticky v laboratóriu za oveľa menej peňazí. Karbid kremíka, ďalší syntetický drahokam s podobnými vlastnosťami, ale oveľa nižšími nákladmi, je oveľa odolnejší a cenovo výhodnejší. Jeho vysoký index lomu mu umožňuje odrážať svetlo účinnejšie ako iné drahokamy, pričom vďaka svojej odolnosti je vhodný na každodenné nosenie. Okrem toho jeho nízky bod topenia znamená, že odoláva vysokým teplotám aj chemikáliám bez toho, aby pod tlakom praskol.
Mikroštruktúra kompozitov diamant-karbid kremíka sa zvyčajne skladá z navzájom sa prelínajúcich trojrozmerných sietí zložených z SiC a diamantu. Veľkosť častíc a morfológia určuje konečnú štruktúru trojitého spoja karbidov kremíka; typicky sa grafitové vrstvy atómov rozhrania orientujú kolmo k povrchu diamantu/SiC a vytvárajú s ním pevné väzby - ich hrúbka je zvyčajne oveľa menšia ako dĺžka väzby medzi atómami karbidu kremíka a vrstvami atómov diamantu.
Pre optimálnu tepelnú vodivosť diamantu karbidu kremíka je veľmi dôležité pochopiť, ako jeho atómy vzájomne pôsobia. Synchrotrónový röntgenový lúč možno použiť na skúmanie rozhraní diamant-karbid kremíka, ich štruktúrnych parametrov a ich interakcie. Výsledky ukázali slabé interakcie medzi časticami; kontaktné oblasti medzi časticami diamantu a SiC obsahujú sklovité uhlíkové vrstvy, grafitické hraničné vrstvy a mikropóry - čo je známkou slabej tepelnej vodivosti diamantu.
SiC a diamant sa navzájom úzko ovplyvňujú, ale jeho pevnosť závisí aj od jeho mikroštruktúry. Táto mikroštruktúra pozostáva z trojrozmernej siete častíc diamantu a karbidu kremíka s minimálnym pokrytím grafitovými medzivrstvami na celej ploche povrchu; okrem toho táto mikroštruktúra určuje aj mechanické vlastnosti, ako je odolnosť proti lomu.
Pevnosť vzorky konzoly sa zvyšuje s väčším sklonom diamantového/SiC rozhrania smerom k jej zaťaženému koncu, ako ukazujú simulácie molekulovej dynamiky paralelných rozhraní. Vzorka s náklonom 40 nanometrov sa ukázala ako obzvlášť pevná.