Termisk konduktivitet för kiselkarbid

Kiselkarbid, eller karborundum (), är en hård keramik som först massproducerades 1893 för användning som slipmedel. Även om det finns naturliga förekomster (ädelstenar av moissanit och små mängder som en vulkanisk bergart som kallas korund), sker den mesta moderna användningen syntetiskt.

SiC är känt för att ha hög utmattningshållfasthet, hög värmeledningsförmåga och låg expansionskoefficient, vilket gör det lämpligt för tillverkning för att klara höga temperaturer samtidigt som det förblir starkt i korrosiva miljöer.

Termofysikaliska egenskaper

Kiselkarbid är ett av de få material som har hög värmeledningsförmåga vid rumstemperatur. På grund av sin hårda, styva och temperaturstabila natur är kiselkarbid ett utmärkt materialval för användning i teleskopspeglar som används av astronomer.

Density Functional Theory användes för systematiska teoretiska undersökningar av strukturella parametrar och termofysiska egenskaper vid finita temperaturer för kubisk kiselkarbid (3C-SiC). Våra resultat avseende elasticitetskonstanter och Knoop mikrohårdhet visade tillfredsställande överensstämmelse med experimentella data samt beräknade resultat som publicerats på annat håll.

Genom att använda optimerade strukturmodeller fick vi också uppskattningar på atomnivå av defektbildningsenergier för ZrC, TiC och SiC med hjälp av optimerade strukturmodeller. Resultaten visade att Debye-temperaturen minskar med ökande antal defektatomer medan CZr-antisite- och VC-defekter uppvisar lägre bildningsenergier än deras motsvarighet VSi- och Sit-defekter; deras minskning av bildningsenergin kan påverka motståndet mot enaxlig och skjuvdeformation av 3C-SiC-strukturer.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbid är ett av de hårdaste och mest värmeledande material som finns i naturen och motstår angrepp från både syror och alkalier samtidigt som det är värmebeständigt upp till 1600 grader utan hållfasthetsförlust. Dessutom är kiselkarbid en utmärkt elektrisk ledare.

Kiselkarbidens breda bandgap gör den lämplig för användning i halvledarkomponenter som dioder, transistorer och tyristorer, medan dess förmåga att motstå stora spänningar och strömmar gör den användbar även i högeffektiva kraftkomponenter.

Porös SiC kan ändras genom att tillsätta grafen-nanoplättingar (GNP), vilket skapar ett material med förbättrade termiska egenskaper. Detta material kan tillverkas via vätskefas gnistplasmasintring av antingen stökiometriskt eller off-stökiometriskt SiC-pulver; olika kombinationer av sintringshjälpmedel (Y2O3 och La2O3) testades för att utvärdera deras effekter på fassammansättning, mikrostruktur och värmeledningsförmåga hos porösa material med upp till 20 vol% GNP-innehåll; icke-monotont temperaturberoende observerades med kompositer som innehöll upp till 20% GNP-innehåll.

Mekaniska egenskaper

SiC:s unika sammansättning av kisel- och kolatomer i kristallgittret ger det anmärkningsvärda mekaniska egenskaper som gör det till ett av de segaste och hårdaste keramiska materialen. Hög motståndskraft mot korrosion från syror, lut, smälta salter samt nötning; styvhet och styrka gör SiC till ett attraktivt materialval för slitstarka komponenter som slipskivor eller borrkronor i kvarnar, expanderare eller extruderare.

Förutom att vara lätta har keramiska material utmärkt motståndskraft mot termisk chock - de klarar temperaturer upp till 1600 grader Celsius utan att förlora sina mekaniska egenskaper eller sin värmeutvidgning, med låga värmeutvidgningstal och en exceptionellt hög Young-modul som ger dimensionsstabilitet.

Porositeten i porösa SiC-keramer varierar beroende på deras formningsmetod (reaktionsbindning eller sintring). Studier har visat att både elektrisk ledningsförmåga och böjhållfasthet ökar med ökande B4C-innehåll på grund av dess förmåga att adsorbera syre från Si-C-matrismaterial och därmed minska fononspridningslängden.

Tillämpningar

Kiselkarbid används som både slipmedel och skärverktyg i tillverkningsindustrin. På grund av sin hårda och värmetåliga yta kan kiselkarbid också användas som elektronisk halvledare i dioder och transistorer eftersom dess spänningstolerans kan överträffa kisel.

Kiselkarbidens hårdhet, korrosionsbeständighet och höga värmeledningsförmåga gör det till ett utmärkt material för skyddsutrustning som hjälmar och pansarplåtar. Dessutom innebär dess kemiska inertitet att det inte reagerar med vatten, vilket gör det idealiskt för användning i miljöer med hög luftfuktighet, t.ex. rymdfarkoster och marina miljöer.

Omkristalliserad kiselkarbid (RSiC) har en oöverträffad blandning av mekaniska, termiska och elektriska egenskaper jämfört med alla andra SiC-varianter. Den täta mikrostrukturen ger RSiC låg expansionskoefficient samtidigt som den bibehåller styrka och styvhet vid höga temperaturer; dessutom uppvisar den relativt högre elasticitetsmodulvärden än strukturell zirkoniumdioxidkeramik och har låga värmeutvidgningskoefficientvärden jämfört med strukturell zirkoniumdioxidkeramik.