Toplotna prevodnost silicijevega karbida

Silicijev karbid ali karborundum () je trda keramika, ki je bila prvič množično proizvedena leta 1893 za uporabo kot abraziv. Čeprav obstajajo naravni primerki (moissanitni dragulji in majhne količine kot magmatska kamnina, imenovana korund), se večina sodobne uporabe izvaja sintetično.

Za SiC je znano, da ima visoko odpornost proti utrujanju, visoko toplotno prevodnost in nizek koeficient raztezanja, zaradi česar je primeren za izdelavo, da prenese visoke temperature in ostane močan v korozivnih okoljih.

Termofizikalne lastnosti

Silicijev karbid je eden redkih materialov z visoko toplotno prevodnostjo pri sobni temperaturi. Zaradi svoje trdnosti, togosti in temperaturne stabilnosti je silicijev karbid odličen material za uporabo v zrcalih teleskopov, ki jih uporabljajo astronomi.

Za sistematične teoretične raziskave strukturnih parametrov in toplotno-fizikalnih lastnosti kubičnega silicijevega karbida (3C-SiC) pri končni temperaturi je bila uporabljena teorija funkcionalne gostote. Naši rezultati glede elastičnih konstant in Knoopove mikrotrdote so se zadovoljivo ujemali z eksperimentalnimi podatki in izračunanimi ugotovitvami, objavljenimi drugje.

Z uporabo optimiziranih strukturnih modelov smo dobili tudi ocene energij nastajanja okvar na atomski ravni za ZrC, TiC in SiC z uporabo optimiziranih strukturnih modelov. Rezultati so pokazali, da se Debyejeva temperatura znižuje z naraščajočim številom atomov napak, medtem ko imajo CZr antisitne in VC napake nižje energije nastanka kot njihove nasprotne VSi in Sit napake; njihovo zmanjšanje energije nastanka lahko vpliva na odpornost struktur 3C-SiC proti enoosni in strižni deformaciji.

Električne lastnosti

Silicijev karbid je eden najtrših in toplotno najbolj prevodnih materialov v naravi, ki je odporen proti kislinam in lužinam, hkrati pa je toplotno odporen do 1600 stopinj Celzija brez izgube trdnosti. Poleg tega je silicijev karbid odličen električni prevodnik.

Silicijev karbid je zaradi svoje široke pasovne vrzeli primeren za uporabo v polprevodniških napravah, kot so diode, tranzistorji in tiristorji, zaradi svoje sposobnosti prenašanja velikih napetosti in tokov pa je uporaben tudi v visokozmogljivih energetskih napravah.

Porozni SiC lahko spremenimo z dodajanjem grafenskih nanodelcev (GNP) in tako ustvarimo material z izboljšanimi toplotnimi lastnostmi. Ta material je mogoče izdelati s spekanjem stehiometričnega ali nestehiometričnega prahu SiC v tekoči fazi v iskrivi plazmi; testirane so bile različne kombinacije pomožnih sredstev za sintranje (Y2O3 in La2O3), da bi ocenili njihov vpliv na fazno sestavo, mikrostrukturo in toplotno prevodnost poroznih materialov z vsebnostjo GNP do 20 vol%; pri kompozitih z vsebnostjo GNP do 20% je bila opažena nemonotona temperaturna odvisnost.

Mehanske lastnosti

Edinstvena sestava silicijevih in ogljikovih atomov v kristalni mreži daje SiC-ju izjemne mehanske lastnosti, zaradi katerih je eden najtrših in najtrdnejših keramičnih materialov. Je zelo odporen proti koroziji zaradi kislin, lugov, staljenih soli in tudi proti obrabi; zaradi togosti in trdnosti je SiC privlačen material za sestavne dele, odporne proti obrabi, kot so brusilna kolesa ali svedri v mlinih, ekspanderjih ali ekstruderjih.

Keramični material je lahek, poleg tega pa ima tudi odlično odpornost na toplotne udarce - zdrži temperature do 1600 stopinj Celzija, ne da bi izgubil svoje mehanske lastnosti ali toplotno raztezanje, z nizkimi stopnjami toplotnega raztezanja in izjemno visokim Youngovim modulom, ki zagotavlja dimenzijsko stabilnost.

Poroznost porozne keramike SiC se razlikuje glede na način oblikovanja (reakcijsko vezanje ali sintranje). Študije so pokazale, da se električna prevodnost in upogibna trdnost povečujeta s povečevanjem vsebnosti B4C zaradi njegove sposobnosti adsorbiranja kisika iz materialov z matriko Si-C in s tem zmanjševanja dolžine razpršitve fononov.

Aplikacije

Silicijev karbid se v proizvodnji uporablja kot abrazivno in rezalno orodje. Silicijev karbid je zaradi svoje trde in toplotno odporne površine mogoče najti tudi kot elektronski polprevodnik v diodah in tranzistorjih, saj njegova napetostna toleranca presega napetostno toleranco silicija.

Silicijev karbid je zaradi svoje trdote, odpornosti proti koroziji in visoke toplotne prevodnosti odličen material za zaščitno opremo, kot so čelade in oklepne plošče. Poleg tega zaradi svoje kemične inertnosti ne reagira z vodo, zato je idealen za uporabo v okoljih z visoko vlažnostjo, kot so vesoljska plovila in morska okolja.

Rekristalizirani silicijev karbid (RSiC) se ponaša z neprimerljivo kombinacijo mehanskih, toplotnih in električnih lastnosti kot vse druge različice SiC. Zaradi goste mikrostrukture ima RSiC nizek koeficient raztezanja, hkrati pa ohranja trdnost in togost pri visokih temperaturah; poleg tega ima relativno višje vrednosti elastičnega modula kot strukturna cirkonijeva keramika in nizke vrednosti koeficienta toplotnega raztezanja v primerjavi s strukturno cirkonijevo keramiko.