Gaur egun,silizio karburoa (SiC)eroale termiko zeramikoa da, etxean zein atzerrian aktiboki aztertzen ari dena. SiC-ren eroankortasun termiko teorikoa oso altua da, eta kristal forma batzuek 270W/mK-ra irits daitezke, eta hori dagoeneko liderra da material ez-eroaleen artean. Adibidez, SiC eroankortasun termikoaren aplikazioa ikus daiteke erdieroale gailuen substratu materialetan, eroankortasun termiko handiko zeramika materialetan, erdieroaleen prozesatzeko berogailuetan eta berogailu plaketan, erregai nuklearrerako kapsula materialetan eta konpresore ponpetarako gas zigilatzeko eraztunetan.
Aplikazioasilizio karburoaerdieroaleen arloan.
Artezteko diskoak eta euskarriak siliziozko obleen ekoizpenerako prozesu-ekipo garrantzitsuak dira erdieroaleen industrian. Artezteko diskoa burdinurtuz edo karbono altzairuz egina badago, bere bizitza erabilgarria laburra da eta bere hedapen termikoaren koefizientea handia da. Siliziozko obleak prozesatzen diren bitartean, batez ere abiadura handiko artezketa edo leuntze lanetan, artezteko diskoaren higadura eta deformazio termikoaren ondorioz, zaila da siliziozko oblearen lautasuna eta paralelismoa bermatzea. Artezteko diskoa...silizio karburo zeramikakGogortasun handiari esker higadura txikia du, eta bere hedapen termikoaren koefizientea siliziozko obleen berdina da funtsean, beraz, abiadura handian eho eta leundu daiteke.
Gainera, siliziozko obleak ekoizten direnean, tenperatura altuko tratamendu termikoa jasan behar dute eta askotan silizio karburozko euskarriak erabiliz garraiatzen dira. Beroarekiko erresistenteak eta ez-suntsitzaileak dira. Diamante itxurako karbonoa (DLC) eta beste estaldura batzuk aplika daitezke gainazalean errendimendua hobetzeko, obleak kaltetzea arintzeko eta kutsadura hedatzea saihesteko.
Gainera, hirugarren belaunaldiko banda-tarte zabaleko erdieroale materialen ordezkari gisa, silizio karburozko kristal bakarreko materialek propietate hauek dituzte: banda-tarte zabalera handia (Si-ren 3 aldiz inguru), eroankortasun termiko handia (Si-ren 3,3 aldiz inguru edo GaAs-ren 10 aldiz inguru), elektroien saturazio-migrazio-tasa handia (Si-ren 2,5 aldiz inguru) eta matxura-eremu elektriko handia (Si-ren 10 aldiz inguru edo GaAs-ren 5 aldiz inguru). SiC gailuek ohiko erdieroale material gailuen akatsak konpontzen dituzte aplikazio praktikoetan eta pixkanaka potentzia erdieroaleen nagusi bihurtzen ari dira.
Eroankortasun termiko handiko silizio karburozko zeramikaren eskaria izugarri handitu da
Zientzia eta teknologiaren etengabeko garapenarekin, silizio karburo zeramiken aplikazioaren eskaria erdieroaleen arloan izugarri handitu da, eta eroankortasun termiko handia adierazle gakoa da erdieroaleen fabrikazio ekipoen osagaietan aplikatzeko. Hori dela eta, ezinbestekoa da eroankortasun termiko handiko silizio karburo zeramiken ikerketa indartzea. Sarearen oxigeno edukia murriztea, dentsitatea hobetzea eta sarean bigarren fasearen banaketa arrazoiz erregulatzea dira silizio karburo zeramiken eroankortasun termikoa hobetzeko metodo nagusiak.
Gaur egun, silizio karburozko eroankortasun termiko handiko zeramikei buruzko ikerketa gutxi daude nire herrialdean, eta oraindik ere aldea handia da munduko mailarekin alderatuta. Etorkizuneko ikerketa-ildoen artean daude:
●Silizio karburo zeramiko hautsaren prestaketa prozesuaren ikerketa indartzea. Purutasun handiko eta oxigeno gutxiko silizio karburo hautsaren prestaketa da eroankortasun termiko handiko silizio karburo zeramiken prestaketaren oinarria;
● Sinterizazio-laguntzaileen hautaketa eta lotutako ikerketa teorikoa indartzea;
●Sinterizazio-ekipoen ikerketa eta garapena indartzea. Mikroegitura egokia lortzeko sinterizazio-prozesua erregulatuz, silizio karburozko zeramika eroankortasun termiko handikoak lortzeko baldintza ezinbestekoa da.
Silizio karburozko zeramiketan eroankortasun termikoa hobetzeko neurriak
SiC zeramiken eroankortasun termikoa hobetzeko gakoa fonoien sakabanaketa-maiztasuna murriztea eta fonoien batez besteko bide librea handitzea da. SiC-ren eroankortasun termikoa eraginkortasunez hobetuko da SiC zeramiken porositatea eta ale-mugako dentsitatea murriztuz, SiC ale-mugen purutasuna hobetuz, SiC sareko ezpurutasunak edo sareko akatsak murriztuz eta SiC-n bero-fluxuaren transmisio-eramailea handituz. Gaur egun, sinterizazio-laguntzaileen mota eta edukia optimizatzea eta tenperatura altuko tratamendu termikoa dira SiC zeramiken eroankortasun termikoa hobetzeko neurri nagusiak.
① Sinterizazio-laguntzaileen mota eta edukia optimizatzea
Eroankortasun termiko handiko SiC zeramikak prestatzerakoan, hainbat sinterizazio-laguntzaile gehitzen dira maiz. Horien artean, sinterizazio-laguntzaileen motak eta edukiak eragin handia dute SiC zeramiken eroankortasun termikoan. Adibidez, Al2O3 sistemako sinterizazio-laguntzaileetako Al edo O elementuak erraz disolbatzen dira SiC sarean, hutsuneak eta akatsak sortuz, eta horrek fonoien sakabanaketa-maiztasuna handitzea dakar. Gainera, sinterizazio-laguntzaileen edukia baxua bada, materiala zaila da sinterizatzen eta dentsifikatzen, eta sinterizazio-laguntzaileen edukia altua izateak, berriz, ezpurutasunak eta akatsak handitzea ekarriko du. Fase likidoan gehiegizko sinterizazio-laguntzaileek SiC aleen hazkuntza ere galarazi dezakete eta fonoien batez besteko bide librea murriztu. Beraz, eroankortasun termiko handiko SiC zeramikak prestatzeko, sinterizazio-laguntzaileen edukia ahalik eta gehien murriztea beharrezkoa da, sinterizazio-dentsitatearen baldintzak betez, eta SiC sarean disolbatzeko zailak diren sinterizazio-laguntzaileak aukeratzen saiatu.
*SiC zeramiken propietate termikoak sinterizazio-laguntzaile desberdinak gehitzen direnean
Gaur egun, sinterizazio-laguntzaile gisa BeO sinterizatuta eta bero-prentsatuta dauden SiC zeramikeiek dute giro-tenperaturako eroankortasun termiko maximoa (270W·m-1·K-1). Hala ere, BeO material oso toxikoa eta kartzinogena da, eta ez da egokia laborategietan edo industria-eremuetan aplikazio zabalerako. Y2O3-Al2O3 sistemaren puntu eutektiko baxuena 1760℃ da, eta hau da SiC zeramiken fase likidoko sinterizazio-laguntzaile ohikoa. Hala ere, Al3+ erraz disolbatzen denez SiC sarean, sistema hau sinterizazio-laguntzaile gisa erabiltzen denean, SiC zeramiken giro-tenperaturako eroankortasun termikoa 200W·m-1·K-1 baino txikiagoa da.
Y, Sm, Sc, Gd eta La bezalako lur arraroen elementuak ez dira erraz disolbagarriak SiC sarean eta oxigenoarekiko afinitate handia dute, eta horrek SiC sarearen oxigeno edukia eraginkortasunez murriztu dezake. Beraz, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) sistema ohiko sinterizazio laguntzaile bat da eroankortasun termiko handiko (>200W·m-1·K-1) SiC zeramikak prestatzeko. Y2O3-Sc2O3 sistemaren sinterizazio laguntzaile adibide gisa hartuta, Y3+ eta Si4+-ren ioien desbideratze balioa handia da, eta biek ez dute disoluzio solidorik jasaten. Sc-ren disolbagarritasuna SiC puruan 1800~2600 ℃-tan txikia da, (2~3)×1017 atomo·cm-3 ingurukoa.
② Tenperatura altuko tratamendu termikoa
SiC zeramiken tenperatura altuko tratamendu termikoak sare-akatsak, dislokazioak eta hondar-tentsioak ezabatzen laguntzen du, material amorfo batzuen egitura-eraldaketa kristal bihurtzea sustatzen du eta fonoien sakabanaketa-efektua ahultzen du. Gainera, tenperatura altuko tratamendu termikoak SiC aleen hazkundea eraginkortasunez sustatu dezake eta, azken finean, materialaren propietate termikoak hobetu. Adibidez, 1950 °C-tan tenperatura altuko tratamendu termikoaren ondoren, SiC zeramiken difusio termikoaren koefizientea 83,03 mm2·s-1-tik 89,50 mm2·s-1-ra igo zen, eta giro-tenperaturako eroankortasun termikoa 180,94 W·m-1·K-1-tik 192,17 W·m-1·K-1-ra igo zen. Tenperatura altuko tratamendu termikoak eraginkortasunez hobetzen du sinterizazio-laguntzailearen desoxidazio-gaitasuna SiC gainazalean eta sarean, eta SiC aleen arteko lotura estuagoa egiten du. Tenperatura altuko tratamendu termikoaren ondoren, SiC zeramiken giro-tenperaturako eroankortasun termikoa nabarmen hobetu da.
Argitaratze data: 2024ko urriaren 24a