Алмаз з карбіду кремнію

Карбід кремнію надзвичайно твердий, але все ж менш твердий, ніж алмаз. Але він все одно посідає друге місце як надзвичайно твердий матеріал.

Пористі алмазні преформи на вуглецевій зв'язці піддаються інфільтрації шляхом капілярного вливання кремнію при температурі, що перевищує температуру його плавлення, після чого вуглецева зв'язка перетворюється на графіт.

Теплопровідність

Карбід кремнію - це надзвичайно високотемпературний матеріал з відмінною теплопровідністю, який широко використовується в електротехніці, електроніці та промисловому машинобудуванні. Його застосовують для охолодження та нагрівання напівпровідників, транзисторів і потужних світлодіодів, а також для підсвічування світлодіодних дисплеїв. Теплопровідність композитів SiC/алмаз залежить від декількох факторів, включаючи кількість і розмір алмазів, склад зв'язуючого матеріалу і структуру інтерфейсів між компонентами, а також вплив графітового прошарку на теплопровідність цього матеріалу.

Починаючи з минулого десятиліття, створення високозносостійких матеріалів з відмінною теплопровідністю є постійною метою досліджень і розробок. "Алмазний карбід кремнію" може бути отриманий шляхом інфільтрації рідкого кремнію під дією капілярних сил при температурі понад 1425 градусів за Цельсієм з утворенням кубічних структур b-SiC, які можуть замінити традиційні сталеві матеріали в якості підшипників, ущільнень або вкладишів у промисловому застосуванні.

Для забезпечення оптимальної теплопровідності в композитах SiC/алмаз можна використовувати бімодальний розподіл алмазних зерен різних розмірів і фракцій для підвищення теплопровідності. Бімодальні системи забезпечують значно вищу теплопровідність порівняно з мономодальними системами завдяки наявності графітових атомних шарів між алмазними зернами та їхньою матрицею з матеріалу b-SiC.

Крім того, атомарні шари графіту вирівнюються перпендикулярно до межі поділу, створюючи бімодальні системи з відносно великою площею поверхні, що підвищує теплопровідність. Теплопровідність ще більше зростає, якщо алмаз спікається при більш високих температурах або витримується протягом коротшого часу під час інфільтрації кремнію - збільшуючи її до рівня, що перевищує теплопровідність чистого b-SiC! Крім того, теплопровідність матеріалів також залежить від кількості вільного кремнію та алмазу.

Твердість

Карбід кремнію, що складається з атомів кремнію та вуглецю, має видатну твердість за шкалою Мооса - 9,5 і за твердістю посідає друге місце після алмазу. Завдяки своїй міцності та довговічності карбід кремнію знаходить численні промислові застосування.

Карбід кремнію має багато спільних властивостей з алмазом, включаючи тетраедричну кристалічну структуру - чотири атоми кожного елемента мають одну гранецентровану кубічну решітку, утворюючи міцні ковалентні зв'язки, подібні до міцних тетраедричних зв'язків алмазу, - а також високу міцність на розрив і низький коефіцієнт тертя, що робить обидва матеріали чудовими матеріалами для обробки деталей.

Карбід кремнію можна отримати кількома способами: синтетичний карбід кремнію отримують шляхом виплавки кварцового піску, нафтового коксу (або вугільного коксу), деревної тріски або іншої сировини у високотемпературних печах. Після створення карбід кремнію має твердість, підвищену температуру плавлення і стійкість до окислення навіть за екстремальних температурних умов.

Карбід кремнію має багато практичних застосувань у промисловості. Одне з таких застосувань - абразивні матеріали. Завдяки своїй винятковій стійкості та міцності карбід кремнію є незамінною частиною наждачного паперу, шліфувальних кругів та ріжучих інструментів. Карбід кремнію також використовується як компонент ізоляції в промислових печах, зносостійкі деталі насосів і ракетних двигунів, а також напівпровідникові підкладки для світлодіодів (LED).

Існують різні методи виробництва карбіду кремнію. Традиційні методи передбачають використання процесу спікання, в якому порошкоподібний кремній і вуглець поєднуються в розплаві під високим тиском, утворюючи спечений блок карбіду кремнію, який потім можна розрізати до потрібних форм і розмірів. Інша альтернатива передбачає реакцію рідкого кремнію з пористим графітом; це створює чорний синтетичний муассаніт, який має деякі з тих самих механічних властивостей, але не такий дорогий.

Спеціально виготовлені алмазні матеріали на основі карбіду кремнію з графітовими прошарками на межі поділу мають надзвичайно високу міцність, що перевищує навіть міцність безграфітового алмазу/SiC, хоча незрозуміло, чи пов'язано це з міжфазними графітовими шарами.

Хімічна стабільність

Алмази з карбіду кремнію є надзвичайно міцними матеріалами з відмінною хімічною стійкістю, що робить їх придатними для зносостійких застосувань, таких як ущільнення, вкладиші та форсунки. Крім того, ці алмази є чудовими ріжучими інструментами. Завдяки міцній кристалічній структурі та високій твердості обробка алмазів з карбіду кремнію порівняно з багатьма іншими твердими матеріалами є відносно простою, а також вони мають низький коефіцієнт тертя, що робить їх придатними для промислового використання.

Алмази з карбіду кремнію набули швидкого розвитку завдяки підвищеним вимогам до зносостійкості. Карбід кремнію, неорганічна сполука, що складається з вуглецю і кремнію з гексагональною кристалічною структурою, може бути виготовлений у різних формах і розмірах. Едвард Гудріч Ачесон створив першу сполуку карбіду кремнію в 1891 році, нагріваючи разом глину і порошкоподібний кокс у залізному посуді до утворення синіх кристалів, відомих як карборунд - Ачесон вважав, що цей матеріал матиме більшу цінність, ніж вугілля, оскільки його можна використовувати для виробництва металів.

Карбід кремнію значно відрізняється від чистого алмазу тим, що має більшу стабільність в умовах високих температур і низький коефіцієнт тертя, при цьому він значно дешевший. Тому карбід кремнію став основним матеріалом для промислового використання.

При використанні в якості наповнювача для преформ алмаз-SiC порошок a-Si3N4 запобігає утворенню карбіду кремнію і формуванню корпоративних шарів - таким чином, значно підвищуючи міцність інтерфейсу алмаз-SiC в порівнянні зі звичайними зразками, зануреними в розплавлений кремній.

Однак точна природа цих інтерфейсів залишається значною мірою нез'ясованою. Це може бути результатом слабших зв'язків між графітовими площинами або різними фазами на межі поділу, що потребує подальших досліджень для повного розуміння.

Енергодисперсійна рентгенівська спектрометрія (EDX) була використана для оцінки розподілу атомної густини в аморфному шарі, виготовленому з матеріалу 3 C-SiC/алмаз. У профілях інтенсивності атомів вуглецю і кремнію спостерігалося поступове зменшення інтенсивності поблизу їхньої границі поділу, причому вуглець демонстрував менш крутий нахил. Кремній показав злегка увігнуті профілі густини, тоді як вуглець був більш поступовим.

Мікроструктура

Діаманти - це природні коштовні камені, що формувалися мільйони років, але їх можна виробляти синтетично в лабораторії за набагато менші гроші. Карбід кремнію, ще один синтетичний коштовний камінь зі схожими властивостями, але значно дешевший, набагато довговічніший і економічно вигідніший. Його високий показник заломлення дозволяє йому відбивати світло більш ефективно, ніж інші дорогоцінні камені, а міцність робить його придатним для повсякденного носіння. Крім того, його низька температура плавлення означає, що він може витримувати як високі температури, так і хімічні речовини, не розтріскуючись під тиском.

Мікроструктура композитів алмаз-карбід кремнію зазвичай складається з взаємопроникних тривимірних мереж, що складаються з SiC та алмазу. Розмір і морфологія частинок визначають кінцеву структуру карбідів кремнію з потрійним з'єднанням; як правило, графітові інтерфейсні атомні шари орієнтуються перпендикулярно до поверхні алмазу/SiC, утворюючи з нею міцні зв'язки - їхня товщина, як правило, набагато менша за довжину зв'язку між атомами карбіду кремнію та атомними шарами алмазу.

Для оптимальної теплопровідності алмазу з карбіду кремнію дуже важливо розуміти, як взаємодіють його атоми. Пучок синхротронного рентгенівського випромінювання можна використати для дослідження інтерфейсів алмаз-карбід кремнію, їхніх структурних параметрів та взаємодії. Результати показали слабку міжчастинкову взаємодію; ділянки контакту між частинками алмазу і SiC містять склоподібні шари вуглецю, графітові граничні шари і мікропори, що свідчить про погану теплопровідність алмазу.

SiC і алмаз тісно взаємодіють, але міцність алмазу також залежить від його мікроструктури. Ця мікроструктура складається з тривимірної мережі частинок алмазу та карбіду кремнію з мінімальним графітовим прошарком по всій площі поверхні; крім того, ця мікроструктура також визначає механічні властивості, такі як стійкість до руйнування.

Міцність консольного зразка зростає, коли більше інтерфейсів алмаз/SiC нахиляються до його навантаженого кінця, як показало моделювання молекулярної динаміки паралельних інтерфейсів. Особливо міцним виявився зразок з нахилом 40 нанометрів.