Trenutno,silicijev karbid (SiC)je toplinski vodljivi keramički materijal koji se aktivno proučava u zemlji i inozemstvu. Teorijska toplinska vodljivost SiC-a je vrlo visoka, a neki kristalni oblici mogu doseći 270 W/mK, što je već vodeća vrijednost među nevodljivim materijalima. Na primjer, primjena toplinske vodljivosti SiC-a može se vidjeti u supstratnim materijalima poluvodičkih uređaja, keramičkim materijalima visoke toplinske vodljivosti, grijačima i grijaćim pločama za obradu poluvodiča, materijalima kapsula za nuklearno gorivo i plinskim brtvenim prstenovima za kompresorske pumpe.
Primjenasilicijev karbidu području poluvodiča
Brusni diskovi i pribori važna su procesna oprema za proizvodnju silicijskih pločica u poluvodičkoj industriji. Ako je brusni disk izrađen od lijevanog željeza ili ugljičnog čelika, njegov vijek trajanja je kratak, a koeficijent toplinskog širenja velik. Tijekom obrade silicijskih pločica, posebno tijekom brušenja ili poliranja velikom brzinom, zbog trošenja i toplinske deformacije brusnog diska, teško je jamčiti ravnost i paralelnost silicijske pločice. Brusni disk izrađen odsilicij-karbidna keramikaIma nisku otpornost na habanje zbog visoke tvrdoće, a koeficijent toplinskog širenja je u osnovi isti kao i kod silicijskih pločica, pa se može brusiti i polirati velikom brzinom.
Osim toga, kada se proizvode silicijske pločice, potrebno ih je toplinski obraditi na visokim temperaturama i često se transportiraju pomoću silicij-karbidnih uređaja. Otporne su na toplinu i nerazorne. Na površinu se mogu nanijeti premazi nalik dijamantu (DLC) i drugi premazi kako bi se poboljšale performanse, ublažila oštećenja pločica i spriječilo širenje kontaminacije.
Nadalje, kao predstavnik poluvodičkih materijala sa širokim energetskim razmakom treće generacije, monokristalni materijali silicij-karbida imaju svojstva kao što su velika širina energetskog razmaka (oko 3 puta veća od Si), visoka toplinska vodljivost (oko 3,3 puta veća od Si ili 10 puta veća od GaAs), visoka brzina migracije zasićenja elektrona (oko 2,5 puta veća od Si) i visoko probojno električno polje (oko 10 puta veća od Si ili 5 puta veća od GaAs). SiC uređaji nadoknađuju nedostatke tradicionalnih poluvodičkih materijala u praktičnim primjenama i postupno postaju glavni dio energetskih poluvodiča.
Potražnja za silicijevim karbidnim keramičkim materijalom visoke toplinske vodljivosti dramatično se povećala
S kontinuiranim razvojem znanosti i tehnologije, potražnja za primjenom silicij-karbidne keramike u području poluvodiča dramatično se povećala, a visoka toplinska vodljivost ključni je pokazatelj njezine primjene u komponentama opreme za proizvodnju poluvodiča. Stoga je ključno ojačati istraživanje silicij-karbidne keramike visoke toplinske vodljivosti. Smanjenje sadržaja kisika u rešetki, poboljšanje gustoće i razumna regulacija raspodjele druge faze u rešetki glavne su metode za poboljšanje toplinske vodljivosti silicij-karbidne keramike.
Trenutno u mojoj zemlji postoji malo studija o silicij-karbidnoj keramici visoke toplinske vodljivosti, a još uvijek postoji velika razlika u usporedbi sa svjetskom razinom. Budući istraživački pravci uključuju:
●Ojačati istraživanje procesa pripreme keramičkog praha silicij-karbida. Priprema praha silicij-karbida visoke čistoće s niskim udjelom kisika osnova je za pripremu keramike silicij-karbida visoke toplinske vodljivosti;
● Pojačati odabir pomoćnih sredstava za sinteriranje i srodna teorijska istraživanja;
●Jačanje istraživanja i razvoja vrhunske opreme za sinteriranje. Reguliranjem procesa sinteriranja radi postizanja razumne mikrostrukture, nužan je uvjet za dobivanje silicij-karbidne keramike visoke toplinske vodljivosti.
Mjere za poboljšanje toplinske vodljivosti silicij-karbidne keramike
Ključ za poboljšanje toplinske vodljivosti SiC keramike je smanjenje frekvencije raspršenja fonona i povećanje srednjeg slobodnog puta fonona. Toplinska vodljivost SiC-a učinkovito će se poboljšati smanjenjem poroznosti i gustoće granica zrna SiC keramike, poboljšanjem čistoće granica zrna SiC-a, smanjenjem nečistoća ili defekata rešetke SiC-a i povećanjem nosioca prijenosa toplinskog toka u SiC-u. Trenutno su optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinteriranje i toplinska obrada na visokim temperaturama glavne mjere za poboljšanje toplinske vodljivosti SiC keramike.
① Optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinteriranje
Različita pomoćna sredstva za sinteriranje često se dodaju pri pripremi SiC keramike visoke toplinske vodljivosti. Među njima, vrsta i sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje imaju veliki utjecaj na toplinsku vodljivost SiC keramike. Na primjer, elementi Al ili O u pomoćnim sredstvima za sinteriranje Al2O3 sustava lako se otapaju u SiC rešetki, što rezultira prazninama i defektima, što dovodi do povećanja frekvencije raspršenja fonona. Osim toga, ako je sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje nizak, materijal je teško sinterirati i zgušnjavati, dok će visok sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje dovesti do povećanja nečistoća i defekata. Prekomjerna pomoćna sredstva za sinteriranje u tekućoj fazi također mogu inhibirati rast SiC zrna i smanjiti srednji slobodni put fonona. Stoga, kako bi se pripremila SiC keramika visoke toplinske vodljivosti, potrebno je što više smanjiti sadržaj pomoćnih sredstava za sinteriranje uz zadovoljavanje zahtjeva gustoće sinteriranja te pokušati odabrati pomoćna sredstva za sinteriranje koja se teško otapaju u SiC rešetki.
*Toplinska svojstva SiC keramike kada se dodaju različita sredstva za sinteriranje
Trenutno, vruće prešana SiC keramika sinterirana s BeO kao pomoćnim sredstvom za sinteriranje ima maksimalnu toplinsku vodljivost na sobnoj temperaturi (270 W·m-1·K-1). Međutim, BeO je vrlo toksičan i kancerogen materijal te nije prikladan za široku primjenu u laboratorijima ili industrijskim područjima. Najniža eutektička točka Y2O3-Al2O3 sustava je 1760 ℃, što je uobičajeno pomoćno sredstvo za sinteriranje SiC keramike u tekućoj fazi. Međutim, budući da se Al3+ lako otapa u SiC rešetki, kada se ovaj sustav koristi kao pomoćno sredstvo za sinteriranje, toplinska vodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi je manja od 200 W·m-1·K-1.
Rijetkozemni elementi poput Y, Sm, Sc, Gd i La nisu lako topljivi u SiC rešetki i imaju visoki afinitet prema kisiku, što može učinkovito smanjiti sadržaj kisika u SiC rešetki. Stoga je sustav Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) uobičajeno pomoćno sredstvo za sinteriranje za pripremu SiC keramike visoke toplinske vodljivosti (>200 W·m-1·K-1). Uzimajući pomoćno sredstvo za sinteriranje sustava Y2O3-Sc2O3 kao primjer, vrijednost odstupanja iona Y3+ i Si4+ je velika, a ta dva ne podliježu čvrstom otapanju. Topljivost Sc u čistom SiC pri 1800~2600℃ je mala, oko (2~3)×1017 atoma·cm-3.
② Toplinska obrada na visokim temperaturama
Visokotemperaturna toplinska obrada SiC keramike pogoduje uklanjanju defekata rešetke, dislokacija i zaostalih naprezanja, potiče strukturnu transformaciju nekih amorfnih materijala u kristale i slabi učinak raspršenja fonona. Osim toga, visokotemperaturna toplinska obrada može učinkovito potaknuti rast SiC zrna i u konačnici poboljšati toplinska svojstva materijala. Na primjer, nakon visokotemperaturne toplinske obrade na 1950 °C, koeficijent toplinske difuzije SiC keramike povećao se s 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, a toplinska vodljivost na sobnoj temperaturi povećala se sa 180,94 W·m-1·K-1 na 192,17 W·m-1·K-1. Visokotemperaturna toplinska obrada učinkovito poboljšava sposobnost deoksidacije pomoćnog sredstva za sinteriranje na površini i rešetki SiC-a te čini vezu između SiC zrna čvršćom. Nakon visokotemperaturne toplinske obrade, toplinska vodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi značajno je poboljšana.
Vrijeme objave: 24. listopada 2024.