Praeguränikarbiid (SiC)on soojusjuhtiv keraamiline materjal, mida aktiivselt uuritakse nii kodu- kui ka välismaal. SiC teoreetiline soojusjuhtivus on väga kõrge ja mõned kristallvormid võivad ulatuda 270 W/mK-ni, mis on juba praegu juhtiv näitaja mittejuhtivate materjalide seas. Näiteks SiC soojusjuhtivust saab rakendada pooljuhtseadmete alusmaterjalides, suure soojusjuhtivusega keraamilistes materjalides, pooljuhtide töötlemiseks mõeldud küttekehades ja kütteplaatides, tuumakütuse kapslimaterjalides ja kompressorpumpade gaasitihendusrõngastes.
Kohaldamineränikarbiidpooljuhtide valdkonnas
Lihvkettad ja -kinnitused on pooljuhtide tööstuses räniplaatide tootmisel olulised protsessiseadmed. Kui lihvketas on valmistatud malmist või süsinikterasest, on selle kasutusiga lühike ja soojuspaisumistegur suur. Räniplaatide töötlemisel, eriti kiire lihvimise või poleerimise ajal, on lihvketta kulumise ja termilise deformatsiooni tõttu räniplaadi tasasust ja paralleelsust raske tagada. Lihvketas on valmistatud...ränikarbiidi keraamikaoma kõrge kõvaduse tõttu on sellel madal kulumiskindlus ja selle soojuspaisumistegur on põhimõtteliselt sama, mis räniplaatidel, seega saab seda suurel kiirusel lihvida ja poleerida.
Lisaks tuleb räniplaatide tootmisel läbida kõrgel temperatuuril kuumtöötlus ja neid transporditakse sageli ränikarbiidist kinnitusdetailide abil. Need on kuumakindlad ja mittepurustavad. Pinnale saab kanda teemantlaadset süsinikku (DLC) ja muid katteid, et parandada jõudlust, leevendada plaatide kahjustusi ja vältida saastumise levikut.
Lisaks on ränikarbiidist monokristallmaterjalidel, mis on kolmanda põlvkonna laia keelutsooniga pooljuhtmaterjalide esindajad, sellised omadused nagu suur keelutsooni laius (umbes 3 korda suurem kui Si-l), kõrge soojusjuhtivus (umbes 3,3 korda suurem kui Si-l või 10 korda suurem kui GaAs-il), kõrge elektronide küllastumiskiirus (umbes 2,5 korda suurem kui Si-l) ja suur läbilöögielektriväli (umbes 10 korda suurem kui Si-l või 5 korda suurem kui GaAs-il). SiC-seadmed kompenseerivad praktilistes rakendustes traditsiooniliste pooljuhtmaterjalide defekte ja on järk-järgult muutumas võimsuspooljuhtide peavooluks.
Nõudlus suure soojusjuhtivusega ränikarbiidist keraamika järele on dramaatiliselt kasvanud.
Teaduse ja tehnoloogia pideva arenguga on ränikarbiidkeraamika kasutamise nõudlus pooljuhtide valdkonnas dramaatiliselt suurenenud ning kõrge soojusjuhtivus on selle rakendamise peamine näitaja pooljuhtide tootmisseadmete komponentides. Seetõttu on ülioluline tugevdada kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika uurimistööd. Ränikarbiidkeraamika soojusjuhtivuse parandamise peamised meetodid on võre hapnikusisalduse vähendamine, tiheduse parandamine ja võre teise faasi jaotuse mõistlik reguleerimine.
Praegu on minu riigis vähe uuringuid suure soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika kohta ning maailmatasemega võrreldes on endiselt suur mahajäämus. Edasised uurimissuunad hõlmavad järgmist:
● Tugevdada ränikarbiidist keraamilise pulbri valmistamisprotsessi uurimist. Kõrge puhtusastmega ja madala hapnikusisaldusega ränikarbiidi pulbri valmistamine on aluseks kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidist keraamika valmistamisele;
● Tugevdada paagutusvahendite valikut ja sellega seotud teoreetilisi uuringuid;
● Tugevdada tipptasemel paagutusseadmete uurimis- ja arendustegevust. Paagutusprotsessi reguleerimine mõistliku mikrostruktuuri saavutamiseks on vajalik tingimus suure soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika saamiseks.
Meetmed ränikarbiidkeraamika soojusjuhtivuse parandamiseks
SiC-keraamika soojusjuhtivuse parandamise võti on foononite hajumissageduse vähendamine ja foononite keskmise vaba tee suurendamine. SiC soojusjuhtivust saab tõhusalt parandada SiC-keraamika poorsuse ja terade piiritiheduse vähendamise, SiC terade piiride puhtuse parandamise, SiC võre lisandite või võredefektide vähendamise ning SiC soojusülekande kandja suurendamise teel. Praegu on SiC-keraamika soojusjuhtivuse parandamise peamised meetmed paagutamisabiainete tüübi ja sisalduse optimeerimine ning kõrgel temperatuuril kuumtöötlus.
① Paagutusainete tüübi ja sisu optimeerimine
Suure soojusjuhtivusega SiC-keraamika valmistamisel lisatakse sageli mitmesuguseid paagutusaineid. Nende hulgas on paagutusainete tüübil ja sisaldusel suur mõju SiC-keraamika soojusjuhtivusele. Näiteks Al2O3-süsteemi paagutusainetes olevad Al- või O-elemendid lahustuvad kergesti SiC-võres, mille tulemuseks on vakantse ja defekte, mis omakorda suurendab foononite hajumissagedust. Lisaks, kui paagutusainete sisaldus on madal, on materjali raske paagutada ja tihendada, samas kui suur paagutusainete sisaldus suurendab lisandeid ja defekte. Liigne vedelfaasis paagutusainete sisaldus võib samuti pärssida SiC-terade kasvu ja vähendada foononite keskmist vaba tee pikkust. Seetõttu on suure soojusjuhtivusega SiC-keraamika valmistamiseks vaja vähendada paagutusainete sisaldust nii palju kui võimalik, järgides samal ajal paagutamistiheduse nõudeid, ja püüda valida paagutusaineid, mis lahustuvad SiC-võres raskesti.
*SiC-keraamika termilised omadused erinevate paagutusainete lisamisel
Praegu on kuumpressitud SiC-keraamikal, mis on paagutatud BeO-ga paagutusainena, maksimaalne toatemperatuuriline soojusjuhtivus (270 W·m-1·K-1). BeO on aga väga mürgine ja kantserogeenne materjal ning ei sobi laialdaseks kasutamiseks laborites ega tööstusvaldkondades. Y2O3-Al2O3 süsteemi madalaim eutektiline punkt on 1760 ℃, mis on SiC-keraamika puhul tavaline vedelfaasiline paagutusaine. Kuna Al3+ lahustub aga kergesti SiC-võres, on selle süsteemi kasutamisel paagutusainena SiC-keraamika soojusjuhtivus toatemperatuuril alla 200 W·m-1·K-1.
Haruldased muldmetallid, nagu Y, Sm, Sc, Gd ja La, ei lahustu SiC-võres kergesti ning neil on kõrge hapnikuafiinsus, mis võib tõhusalt vähendada SiC-võre hapnikusisaldust. Seetõttu on Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) süsteem tavaline paagutamisabiaine suure soojusjuhtivusega (>200W·m-1·K-1) SiC-keraamika valmistamisel. Näiteks Y2O3-Sc2O3 süsteemi paagutamisabiaine puhul on Y3+ ja Si4+ ioonide hälve suur ning need kaks ei lahustu tahkes olekus. Sc lahustuvus puhtas SiC-s temperatuuril 1800–2600 ℃ on väike, umbes (2–3) × 1017 aatomit·cm-3.
② Kõrge temperatuuriga kuumtöötlus
SiC-keraamika kõrgel temperatuuril kuumtöötlus aitab kõrvaldada võredefekte, dislokatsioone ja jääkpingeid, soodustab mõnede amorfsete materjalide struktuurilist muundumist kristallideks ja nõrgestab foononide hajumisefekti. Lisaks võib kõrgel temperatuuril kuumtöötlus tõhusalt soodustada SiC-terade kasvu ja lõppkokkuvõttes parandada materjali termilisi omadusi. Näiteks pärast kõrgel temperatuuril kuumtöötlust temperatuuril 1950 °C suurenes SiC-keraamika termiline difusioonitegur 83,03 mm2·s-1-lt 89,50 mm2·s-1-le ja toatemperatuuriline soojusjuhtivus suurenes 180,94 W·m-1·K-1-lt 192,17 W·m-1·K-1-le. Kõrgel temperatuuril kuumtöötlus parandab tõhusalt paagutusvahendi deoksüdatsioonivõimet SiC pinnal ja võrel ning muudab SiC-terade vahelise ühenduse tihedamaks. Pärast kõrgel temperatuuril kuumtöötlust on SiC-keraamika toatemperatuuriline soojusjuhtivus oluliselt paranenud.
Postituse aeg: 24. okt 2024