Теплопровідність карбіду кремнію

Карбід кремнію — один із найтвердіших і найміцніших сучасних керамічних матеріалів. Він зберігає свою міцність при високих температурах, а також витримує дію кислот, лугів і розплавлених солей.

SiC, отриманий методом хімічного осадження з парової фази (CVD), є надзвичайно чистим матеріалом, що має кращу теплопровідність, ніж спечений або реакційно-зв’язаний SiC.

Це напівпровідник

Карбід кремнію (SiC) — це неорганічний напівпровідник із гексагональною структурою та міцними ковалентними зв’язками. Його хімічний склад складається з трьох атомів кремнію, пов’язаних з одним атомом вуглецю, що робить цей матеріал надзвичайно міцним і здатним витримувати високі температури та напруги, а також більш потужні електричні поля, ніж традиційний кремній. Завдяки широкій забороненій зоні SiC може витримувати вищі температури, ніж його аналоги на основі кремнію.

При підвищених температурах вони стійкі до хімічного впливу, а завдяки високому модулю Юнга чудово підходять для застосування в силовій електроніці. Низькі втрати при перемиканні та швидкий час зворотного відновлення забезпечують високі напруги включення з мінімальними втратами у вимикачі при високій швидкості перемикання; завдяки цьому пристрій є чудовою заміною IGBT або біполярних транзисторів у системах, що вимагають високих пробивних напруг.

Нещодавно команда вчених з Університету Меріленда повідомила про рекордно високі значення ізотропної теплопровідності при кімнатній температурі для щільних об’ємних кристалів 3C-SiC розміром з мікропластину; ці показники на понад 50% перевищують аналогічні показники комерційно доступних 6H-SiC та AlN. Підвищену теплопровідність пов’язують із значним вмістом нанопластинок графена, вирівняних паралельно та перпендикулярно до осей пресування SPS у їхньому матричному матеріалі.

Карбід кремнію відрізняється чудовими тепловідвідними властивостями, що обмежує його максимальну робочу температуру та напругу. Завдяки стійкості до корозії та термічних ударів, а також високій механічній міцності та низькому коефіцієнту розширення, карбід кремнію вже давно використовується як опори для лотків з пластинками та лопатки в напівпровідникових печах, а також, відповідно, у терморегуляторах та варисторах.

Це ізолятор

Карбід кремнію (SiC) вже давно використовується як напівпровідниковий матеріал в електронних пристроях. Він твердий, міцний і довговічний; стійкий до корозії; має високу температуру плавлення; витримує високі напруги та температури, що робить його придатним для застосування в промисловості. SiC зустрічається в природі у коштовностях з муассаніту, а також у невеликих кількостях у метеоритах, родовищах корунду та кімберліті; проте більша частина карбіду кремнію, що продається у світі, виготовляється синтетичним шляхом.

Карбід кремнію виділяється серед керамічних матеріалів тим, що володіє як електропровідністю, так і теплопровідністю. Завдяки своїй механічній міцності, низькому коефіцієнту теплового розширення та стійкості до кислот і лугів карбід кремнію став улюбленим матеріалом для застосування в екстремальних інженерних умовах, таких як підшипники насосів, клапани, форсунки для піскоструминної обробки, екструзійні матриці тощо. Крім того, його напівпровідникові властивості роблять його придатним для використання в електронних пристроях, таких як діоди та транзистори.

Вчені розробили технологію, яка передбачає використання вуглецю для утворення сполуки з SiC. Ця сполука може потім використовуватися як ізолююче сполучне, що дозволяє отримати спечений корпус з SiC із нижчою діелектричною проникністю. Таке рішення може виявитися ефективнішим за традиційні сполучні, які мають набагато вищі значення діелектричної проникності, що робить їх непридатними для використання в електронних пристроях; крім того, завдяки своїй більшій стабільності воно витримує багаторазовий вплив високих напруг без пошкоджень.

Це надійний

Карбід кремнію — це тверда речовина з надзвичайно високою теплопровідністю. Завдяки низькому коефіцієнту розширення та твердості карбід кремнію є чудовим вибором матеріалу для застосування в умовах екстремальних температур; прикладом цього є дзеркала телескопів. Крім того, завдяки своїй стійкості до корозії та зносу він підходить для використання як будівельний матеріал.

Високу теплопровідність карбіду кремнію можна пояснити його високою температурою Дебая, яка забезпечує вільний рух фононів у кристалі. У поєднанні з допустимою робочою температурою та високими струмами насичення електронів карбід кремнію виявляється кращим за класичні напівпровідники у багатьох важливих сферах застосування.

Монокристалічну структуру карбіду кремнію можна змінити шляхом легування різними елементами для отримання полікристалічних напівпровідників різних типів, зокрема легування азотом або фосфором для отримання напівпровідників n-типу та легування берилієм, бором або алюмінієм для отримання напівпровідників p-типу; такий легований матеріал з карбіду кремнію відомий як складний напівпровідник.

Карбід кремнію має широке промислове застосування — від різальних та шліфувальних інструментів до фарб і барвників. Його навіть використовують у карборундовій гравюрі — художній формі колаграфічного друку, при якій карборундовий пісок наносять безпосередньо на алюмінієву пластину, а потім покривають фарбою, створюючи враження, ніби намальовані лінії відтискаються на папері під тиском колаграфічних друкарських пластин. Крім того, карбід кремнію також може використовуватися в процесі сублімації з контрольованим утриманням для отримання високоякісних графенових плівок з неймовірною щільністю, що перевершують будь-які матеріали, які використовуються в інших технологічних процесах сублімації, що дозволяє отримувати щільні шари графена з фантастичними властивостями.

Це рідина

Карбід кремнію (SiC) — це надзвичайно твердий керамічний матеріал. За твердістю він посідає третє місце за шкалою Мооса, поступаючись лише алмазу та кубічному нітриду бору. SiC застосовується як матеріал для абразивних інструментів та покриття куленепробивних жилетів, а вироби, виготовлені методами шліфування та спікання, дозволяють отримувати надтверді матеріали з рівнем твердості 9 за шкалою Мооса — вони є більш ударостійкими, ніж оксид алюмінію, але менш ударостійкими, ніж карбід вольфраму.

Цей вогнетривкий матеріал, що є у вільному продажу, є найлегшим і найтвердішим серед усіх доступних варіантів. Він здатний витримувати температури в діапазоні від -700 до 1400 °C, має високу корозійну стійкість, а також характеризується низькими коефіцієнтами теплового розширення, високою механічною міцністю та хімічною інертністю, що робить його придатним для використання на хімічних заводах, комбінатах, у розширювачах та екструдерах.

Карбід кремнію можна виготовляти в невеликих кількостях шляхом сухого пресування до потрібних розмірів або спікання у вакуумній печі, хоча перевагу надають спіканим формам через їхні кращі фізичні властивості та менш економічні методи виробництва порівняно з механічною обробкою. Пористий SiC слід спікати з використанням щільного сполучного, щоб максимізувати фізичні властивості та запобігти утворенню комірчастих структур, які згодом могли б призвести до його тріщин або руйнування; такі методи також є більш економічними, ніж механічна обробка. Крім того, великі обсяги матеріалу можна також отримати шляхом хімічного осадження з парової фази з порошку.