Silisyum Karbür Elmas

Silisyum karbür son derece serttir, ancak yine de elmastan daha az serttir. Ancak yine de son derece sert bir malzeme olarak ikinci sırada yer alır.

Gözenekli karbon bağlı elmas preformlar, erime noktasını aşan sıcaklıklarda kılcal kuvvet yoluyla silikonun infüze edilmesiyle infiltrasyona uğrar ve bunun üzerine karbon bağlayıcı grafite dönüşür.

Termal İletkenlik

Silisyum karbür elmas, elektrik, elektronik ve endüstri mühendisliği alanlarında yaygın olarak kullanılan, mükemmel termal iletkenliğe sahip son derece yüksek sıcaklıkta bir malzemedir. Uygulamalar arasında soğutma ve ısıtma yarı iletkenleri, transistörler ve güç LED'lerinin yanı sıra LED ekran aydınlatma uygulamaları yer alır. SiC/elmas kompozitler için termal iletkenlik, elmas miktarı ve boyutu, bağlayıcı malzemelerinin bileşimi ve bileşenler arasındaki arayüzlerinin yapısı ve grafitik ara katmanın bu malzemenin termal iletkenliği üzerindeki etkisi gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.

Son on yıldan bu yana, mükemmel termal iletkenliğe sahip aşınmaya karşı yüksek dirençli malzemeler oluşturmak, araştırma ve geliştirmenin devam eden bir hedefi olmuştur. “Silisyum karbür elmas” malzemeler, endüstriyel uygulamalarda rulman, conta veya astar olarak geleneksel çelik malzemelerin yerini alabilecek kübik b-SiC yapıları oluşturmak için 1425 degC'yi aşan sıcaklıklarda kılcal kuvvetler yoluyla sıvı silikonun infiltrasyonu yoluyla üretilebilir.

SiC/elmas kompozitlerinde optimum termal iletkenlik için, termal iletkenliği artırmak amacıyla çeşitli boyut ve fraksiyonlardaki elmas tanelerinin bimodal dağılımı kullanılabilir. Bimodal sistemler, elmas taneleri ile b-SiC matris malzemesinin ana matrisi arasında grafitik atomik katmanlara sahip olmaları nedeniyle monomodal sistemlere kıyasla önemli ölçüde daha fazla termal iletkenlik sunar.

Ek olarak, grafitik atomik katmanlar arayüze dik olarak hizalanır ve termal iletkenliği artıran nispeten geniş yüzey alanlarına sahip bimodal sistemler oluşturur. Elmas daha yüksek sıcaklıklarda sinterlenirse veya silikon infiltrasyonu sırasında daha kısa bekletme süreleri için tutulursa termal iletkenlik daha da artar - saf b-SiC'nin ötesine geçer! Ayrıca, malzemelerin termal iletkenliği serbest silikon ve elmas miktarlarına da bağlıdır.

Sertlik

Silisyum ve karbon atomlarından oluşan silisyum karbür, 9,5'lik olağanüstü bir Mohs sertliğine sahiptir ve böylece sertlik açısından elmastan sonra ikinci sırada yer alır. Gücü ve dayanıklılığı nedeniyle silisyum karbür çok sayıda endüstriyel kullanım alanı bulmaktadır.

Silisyum karbür, dörtyüzlü kristal yapısı (her elementten dört atom, elmasın güçlü dörtyüzlü bağlarına benzer güçlü kovalent bağlar oluşturmak için bir yüz merkezli kübik kafesi paylaşır), yüksek gerilme mukavemeti ve düşük sürtünme katsayısı dahil olmak üzere elmasla aynı özelliklerin çoğunu paylaşır ve her iki malzemeyi de mükemmel iş parçası malzemeleri haline getirir.

Silisyum karbür çeşitli teknikler kullanılarak üretilebilir; sentetik silisyum karbür kuvars kumu, petrol kok kömürü (veya kömür kok kömürü), odun yongaları veya diğer hammaddelerin yüksek sıcaklıktaki fırınlarda eritilmesi yoluyla üretilir. Silisyum karbür oluşturulduktan sonra sertlik gösterir, yüksek bir erime noktasına sahiptir ve aşırı sıcaklık koşulları altında bile oksidasyona karşı direnç gösterir.

Silisyum karbürün endüstri için birçok pratik kullanımı vardır. Bu uygulamalardan biri de aşındırıcılardır. Olağanüstü direnç ve mukavemet özellikleri sayesinde silisyum karbür, zımpara kağıtlarının, taşlama taşlarının ve kesici takımların vazgeçilmez bir parçasıdır. Silisyum karbür ayrıca endüstriyel fırınlarda yalıtım bileşeni olarak, pompalarda ve roket motorlarında aşınmaya dayanıklı parçalar ve ışık yayan diyotlar (LED) için kullanılan yarı iletken alt tabakalar olarak da kullanım alanı bulmaktadır.

Silisyum karbür üretmenin çeşitli yöntemleri vardır. Geleneksel teknikler, toz halindeki silisyum ve karbonun yüksek basınçlı bir eriyikte birleştirilerek daha sonra istenen şekil ve boyutlarda kesilebilen sinterlenmiş bir silisyum karbür bloğu oluşturduğu bir sinterleme işleminin kullanılmasını içerir. Diğer bir alternatif ise sıvı silikonun gözenekli grafit ile reaksiyona sokulmasıdır; bu işlem, aynı mekanik özelliklerden bazılarına sahip olan ancak maliyeti yüksek olmayan siyah sentetik mozanit oluşturur.

Arayüzlerinde grafitik ara katmanlar bulunan özel olarak üretilmiş silikon karbür bağlı elmas malzemelerin, grafitsiz elmas/SiC arayüzlerini bile aşan olağanüstü yüksek mukavemetlere sahip olduğu bulunmuştur, ancak bunun arayüzey grafitik katmanlardan kaynaklanıp kaynaklanmadığı belirsizdir.

Kimyasal Stabilite

Silisyum karbür elmaslar mükemmel kimyasal stabiliteye sahip son derece esnek malzemelerdir ve bu da onları contalar, astarlar ve nozullar gibi aşınma uygulamaları için uygun hale getirir. Ayrıca, bu elmaslar harika kesme aletleri oluşturur. Güçlü kristal yapıları ve iyi sertlik özellikleri nedeniyle, silisyum karbür elmasların işlenmesi diğer birçok sert malzemeye kıyasla nispeten kolaydır ve ayrıca düşük sürtünme katsayısına sahiptirler, bu da onu endüstriyel kullanımlar için uygun hale getirir.

Silisyum karbür elmaslar, artan aşınma direnci gereksinimleri nedeniyle hızlı bir gelişme göstermiştir. Altıgen kristal yapıya sahip karbon ve silikondan oluşan inorganik bir bileşik olan silisyum karbür, çeşitli şekil ve boyutlarda üretilebilmektedir. Edward Goodrich Acheson ilk silisyum karbür bileşiğini 1891'de kil ve toz kok kömürünü demir bir kapta karborundum olarak bilinen mavi kristaller oluşana kadar ısıtarak yarattı - Acheson bu malzemenin metal yapımında kullanılabileceği için kömürden daha yüksek değere sahip olacağına inanıyordu.

Silisyum karbür, yüksek sıcaklık koşullarında daha fazla stabiliteye sahip olması ve düşük sürtünme katsayısına sahip olmasının yanı sıra önemli ölçüde daha ucuz olmasıyla saf elmastan büyük ölçüde farklıdır. Bu nedenle, silisyum karbür endüstriyel kullanımlar için tercih edilen bir malzeme haline gelmiştir.

Elmas-siC preformlar için yatak tozu olarak kullanıldığında, a-Si3N4 yatak tozu silikon karbür oluşumunu ve şirket katmanlarının oluşumunu önler - böylece erimiş silikon içine gömülü geleneksel numunelere göre elmas-siC arayüzünün mukavemetini büyük ölçüde artırır.

Bununla birlikte, bu arayüzlerin kesin doğası büyük ölçüde açıklanamamıştır. Bu durum, grafitik düzlemler arasındaki daha zayıf bağların veya arayüzdeki farklı fazların bir sonucu olabilir ve tam olarak anlaşılması için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.

Enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi (EDX), 3 C-SiC/elmas malzemeden yapılmış amorf bir tabakadaki atomik yoğunluk dağılımını değerlendirmek için kullanılmıştır. Karbon ve silisyum atomları için yoğunluk profillerinde, karbonun daha az dik eğim göstermesiyle birlikte, bağlanmış arayüzeylerinin yakınında kademeli bir azalma gözlenmiştir. Silisyum hafif içbükey yoğunluk profilleri gösterirken karbonunki daha kademeli olmuştur.

Mikroyapı

Elmaslar milyonlarca yılda oluşan doğal mücevherlerdir, ancak üretimleri bir laboratuvarda çok daha az paraya sentetik olarak yapılabilir. Benzer özelliklere sahip ancak çok daha düşük maliyetli bir başka sentetik değerli taş olan silisyum karbür çok daha dayanıklı ve uygun maliyetlidir. Yüksek kırılma indeksi, ışığı diğer değerli taşlardan daha etkili bir şekilde yansıtmasını sağlarken, dayanıklılığı onu günlük kullanım için uygun hale getirir. Ayrıca, düşük erime noktası, basınç altında çatlamadan hem yüksek sıcaklıklara hem de kimyasallara dayanabileceği anlamına gelir.

Elmas-silisyum karbür kompozitlerinin mikroyapısı tipik olarak SiC ve elmastan oluşan iç içe geçmiş üç boyutlu ağlardan oluşur. Parçacık boyutu ve morfolojisi, üçlü bağlantı silisyum karbürlerin nihai yapısını belirler; tipik olarak grafitik arayüz atom katmanları, elmas/SiC yüzeyiyle sıkı bağlar oluşturmak için yüzeye dik olarak yönelir - kalınlıkları tipik olarak silisyum karbür atomları ile elmas atom katmanları arasındaki bağ uzunluğundan çok daha azdır.

Silisyum karbür elmasın optimum termal iletkenliği için atomlarının nasıl etkileşime girdiğini anlamak çok önemlidir. Elmas-silisyum karbür arayüzlerini ve bunların yapısal parametrelerini ve etkileşimlerini incelemek için bir senkrotron X-ışını ışını kullanılabilir. Sonuçlar parçacıklar arası etkileşimlerin zayıf olduğunu göstermiştir; elmas ve SiC parçacıkları arasındaki temas alanları camsı karbon katmanları, grafitik sınır katmanları ve mikro gözenekler içerir - bu da elmasın zayıf termal iletkenliğinin bir göstergesidir.

SiC ve elmas yakın etkileşim içindedir, ancak mukavemeti aynı zamanda mikro yapısına da bağlıdır. Bu mikro yapı, yüzey alanı boyunca yalnızca minimum grafitik ara katman kaplamasıyla üç boyutlu bir elmas ve silisyum karbür parçacıkları ağından oluşur; ayrıca bu mikro yapı, kırılma direnci gibi mekanik özellikleri de belirler.

Paralel arayüzlerin moleküler dinamik simülasyonlarında gösterildiği gibi, daha fazla elmas/SiC arayüzü yüklü ucuna doğru eğildikçe bir konsol numunesinin gücü artar. 40 nanometre eğime sahip bir numunenin özellikle güçlü olduğu kanıtlanmıştır.