Tepelná vodivosť karbidu kremíka

Karbid kremíka alebo karborundum () je tvrdá keramika, ktorá sa prvýkrát sériovo vyrobila v roku 1893 na použitie ako brúsivo. Hoci existujú prírodné exempláre (drahokamy moissanit a malé množstvá ako vyvretá hornina nazývaná korund), väčšina moderného použitia sa uskutočňuje synteticky.

SiC sa vyznačuje vysokou odolnosťou proti únave, vysokou tepelnou vodivosťou a nízkym koeficientom rozťažnosti, vďaka čomu je vhodný na výrobu, aby odolal vysokým teplotám a zároveň zostal pevný v korozívnom prostredí.

Termofyzikálne vlastnosti

Karbid kremíka je jedným z mála materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou pri izbovej teplote. Vďaka svojej tvrdej, tuhej a teplotne stabilnej povahe je karbid kremíka vynikajúcou voľbou materiálu na použitie v zrkadlách teleskopov používaných astronómami.

Teória funkcií hustoty bola použitá na systematické teoretické skúmanie štrukturálnych parametrov a tepelno-fyzikálnych vlastností kubického karbidu kremíka (3C-SiC) pri konečnej teplote. Naše výsledky týkajúce sa elastických konštánt a Knoopovej mikrotvrdosti ukázali uspokojivú zhodu s experimentálnymi údajmi, ako aj s vypočítanými zisteniami publikovanými inde.

Použitím optimalizovaných modelov štruktúry sme získali aj odhady energií tvorby defektov na atómovej úrovni pre ZrC, TiC a SiC pomocou optimalizovaných modelov štruktúry. Výsledky odhalili, že Debyeho teplota klesá s rastúcim počtom atómov defektu, zatiaľ čo CZr antisitové defekty a VC defekty vykazujú nižšie energie vzniku ako ich náprotivky VSi a Sit defekty; zníženie ich energie vzniku môže mať vplyv na odolnosť voči jednoosovej a šmykovej deformácii 3C-SiC štruktúr.

Elektrické vlastnosti

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších a tepelne najvodivejších materiálov v prírode, odoláva útokom kyselín aj lúhov a zároveň je odolný voči vysokým teplotám až do 1600 °C bez straty pevnosti. Okrem toho je karbid kremíka vynikajúcim elektrickým vodičom.

Karbid kremíka je vďaka svojmu širokému pásmu vhodný na použitie v polovodičových zariadeniach, ako sú diódy, tranzistory a tyristory, pričom jeho schopnosť odolávať veľkým napätiam a prúdom ho robí užitočným aj vo výkonných zariadeniach.

Porézny SiC možno upraviť pridaním grafénových nanodrôtikov (GNP), čím sa vytvorí materiál so zlepšenými tepelnými vlastnosťami. Tento materiál sa dá vyrobiť spekaním stechiometrického alebo nestechiometrického SiC prášku v kvapalnej fáze v iskrovej plazme; testovali sa rôzne kombinácie spekacích pomocných látok (Y2O3 a La2O3) s cieľom vyhodnotiť ich vplyv na fázové zloženie, mikroštruktúru a tepelnú vodivosť poréznych materiálov s obsahom GNP až do 20 obj.%; pri kompozitoch s obsahom GNP až do 20% sa pozorovala nemonotónna teplotná závislosť.

Mechanické vlastnosti

Jedinečné zloženie atómov kremíka a uhlíka v kryštálovej mriežke dáva SiC pozoruhodné mechanické vlastnosti, ktoré z neho robia jeden z najtvrdších a najodolnejších keramických materiálov. Je vysoko odolný voči korózii spôsobenej kyselinami, lúhmi, roztavenými soľami, ako aj voči abrázii; tuhosť a pevnosť robia zo SiC atraktívnu voľbu materiálu pre súčiastky odolné voči opotrebovaniu, ako sú brúsne kotúče alebo vrtáky v mlynoch, expandéroch alebo extrudéroch.

Okrem nízkej hmotnosti vykazuje keramický materiál aj vynikajúcu odolnosť voči tepelným šokom - vydrží teploty až do 1600 °C bez straty mechanických vlastností alebo tepelnej rozťažnosti, pričom nízka tepelná rozťažnosť a výnimočne vysoký Youngov modul zabezpečujú rozmerovú stabilitu.

Pórovitosť pórovitej SiC keramiky sa líši v závislosti od spôsobu jej tvarovania (reakčné lepenie alebo spekanie). Štúdie preukázali, že elektrická vodivosť aj pevnosť v ohybe sa zvyšujú so zvyšujúcim sa obsahom B4C vďaka jeho schopnosti adsorbovať kyslík z materiálov s matricou Si-C, a tým znižovať dĺžku rozptylu fonónov.

Aplikácie

Karbid kremíka sa používa ako abrazívum aj ako rezný nástroj vo výrobe. Vďaka svojmu tvrdému a tepelne odolnému povrchu sa karbid kremíka nachádza aj ako elektronický polovodič v diódach a tranzistoroch, pretože jeho napäťová tolerancia môže prekonať kremík.

Tvrdosť karbidu kremíka, jeho odolnosť voči korózii a vysoká tepelná vodivosť z neho robia vynikajúci materiál pre ochranné zariadenia, ako sú prilby a pancierové dosky. Okrem toho jeho chemická inertnosť znamená, že nereaguje s vodou, takže je ideálny na použitie v prostredí s vysokou vlhkosťou, ako sú vesmírne lode a morské prostredie.

Rekryštalizovaný karbid kremíka (RSiC) sa môže pochváliť bezkonkurenčnou kombináciou mechanických, tepelných a elektrických vlastností ako všetky ostatné varianty SiC. Vďaka hustej mikroštruktúre má RSiC nízky koeficient rozťažnosti a zároveň si zachováva pevnosť a tuhosť pri vysokých teplotách; navyše vykazuje relatívne vyššie hodnoty modulu pružnosti ako štrukturálna zirkónová keramika a má nízke hodnoty koeficientu tepelnej rozťažnosti v porovnaní so štrukturálnou zirkónovou keramikou.