Қазіргі уақытта,кремний карбиді (SiC)- елімізде де, шетелде де белсенді түрде зерттеліп жатқан жылу өткізгіш керамикалық материал. SiC-тің теориялық жылу өткізгіштігі өте жоғары, ал кейбір кристалдық формалары 270 Вт/мК жетуі мүмкін, бұл өткізбейтін материалдар арасында көшбасшы болып табылады. Мысалы, SiC жылу өткізгіштігінің қолданылуын жартылай өткізгіш құрылғылардың субстрат материалдарында, жоғары жылу өткізгіштік керамикалық материалдарда, жартылай өткізгіштерді өңдеуге арналған жылытқыштар мен қыздыру пластиналарында, ядролық отынға арналған капсула материалдарында және компрессорлық сорғыларға арналған газ тығыздағыш сақиналарында көруге болады.
Қолданылуыкремний карбидіжартылай өткізгіштер саласында
Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде кремний пластинасын өндіру үшін ұнтақтау дискілері мен бекіткіштері маңызды технологиялық жабдық болып табылады. Егер ұнтақтау дискісі шойыннан немесе көміртекті болаттан жасалған болса, оның қызмет ету мерзімі қысқа және термиялық кеңею коэффициенті үлкен болады. Кремний пластиналарын өңдеу кезінде, әсіресе жоғары жылдамдықты ұнтақтау немесе жылтырату кезінде, ұнтақтау дискісінің тозуы мен термиялық деформациясына байланысты кремний пластинасының жазықтығы мен параллелділігіне кепілдік беру қиын. Ұнтақтау дискісі...кремний карбиді керамикасыжоғары қаттылығына байланысты тозуы төмен, ал термиялық кеңею коэффициенті негізінен кремний пластиналарымен бірдей, сондықтан оны жоғары жылдамдықпен ұнтақтауға және жылтыратуға болады.
Сонымен қатар, кремний пластиналарын шығарған кезде олар жоғары температуралы термиялық өңдеуден өтуі керек және көбінесе кремний карбидті бекіткіштерді пайдаланып тасымалданады. Олар ыстыққа төзімді және бұзбайды. Өнімділікті арттыру, пластинаның зақымдануын азайту және ластанудың таралуын болдырмау үшін бетіне гауһар тәрізді көміртек (DLC) және басқа жабындарды жағуға болады.
Сонымен қатар, үшінші буын кең жолақты жартылай өткізгіш материалдарының өкілі ретінде кремний карбидінің монокристалды материалдары үлкен жолақты ені (Si-ден шамамен 3 есе), жоғары жылу өткізгіштігі (Si-ден шамамен 3,3 есе немесе GaAs-тен 10 есе), электрондардың қанығуының жоғары миграция жылдамдығы (Si-ден шамамен 2,5 есе) және жоғары тесілу электр өрісі (Si-ден шамамен 10 есе немесе GaAs-тен 5 есе) сияқты қасиеттерге ие. SiC құрылғылары практикалық қолдануда дәстүрлі жартылай өткізгіш материал құрылғыларының кемшіліктерін өтейді және біртіндеп қуатты жартылай өткізгіштердің негізгі ағымына айналуда.
Жоғары жылу өткізгіштікке ие кремний карбиді керамикасына сұраныс күрт өсті
Ғылым мен техниканың үздіксіз дамуымен жартылай өткізгіш саласында кремний карбиді керамикасын қолдануға деген сұраныс күрт өсті, ал жоғары жылу өткізгіштік оны жартылай өткізгіш өндіріс жабдықтарының компоненттерінде қолданудың негізгі көрсеткіші болып табылады. Сондықтан, жоғары жылу өткізгіштік кремний карбиді керамикасы бойынша зерттеулерді күшейту өте маңызды. Тордағы оттегі мөлшерін азайту, тығыздықты жақсарту және тордағы екінші фазаның таралуын ақылға қонымды реттеу кремний карбиді керамикасының жылу өткізгіштігін жақсартудың негізгі әдістері болып табылады.
Қазіргі уақытта менің елімде жоғары жылу өткізгіштікке ие кремний карбиді керамикасын зерттеу бойынша зерттеулер аз, және әлемдік деңгеймен салыстырғанда әлі де үлкен айырмашылық бар. Болашақ зерттеу бағыттарына мыналар кіреді:
●Кремний карбиді керамикалық ұнтағын дайындау процесін зерттеуді күшейту. Жоғары тазалықтағы, оттегісі аз кремний карбиді ұнтағын дайындау жоғары жылу өткізгіштік кремний карбиді керамикасын дайындаудың негізі болып табылады;
● Атомдарды күйдіруге арналған құралдарды таңдауды және онымен байланысты теориялық зерттеулерді күшейту;
●Жоғары сапалы күйдіру жабдықтарын зерттеу мен әзірлеуді күшейту. Тиімді микроқұрылым алу үшін күйдіру процесін реттеу арқылы жоғары жылу өткізгіштікке ие кремний карбиді керамикасын алу қажетті шарт болып табылады.
Кремний карбидті керамикасының жылу өткізгіштігін жақсарту шаралары
SiC керамикасының жылу өткізгіштігін жақсартудың кілті - фононның шашырау жиілігін азайту және фононның орташа еркін жолын арттыру. SiC жылу өткізгіштігі SiC керамикасының кеуектілігі мен түйіршік шекарасының тығыздығын азайту, SiC түйіршік шекараларының тазалығын жақсарту, SiC торлы қоспаларын немесе тор ақауларын азайту және SiC-дегі жылу ағынының тасымалдаушысын арттыру арқылы тиімді түрде жақсарады. Қазіргі уақытта SiC керамикасының жылу өткізгіштігін жақсартудың негізгі шаралары - күйдіру құралдарының түрі мен құрамын оңтайландыру және жоғары температуралы термиялық өңдеу.
① Агломерациялық құралдардың түрі мен құрамын оңтайландыру
Жоғары жылу өткізгіштігі бар SiC керамикасын дайындау кезінде әртүрлі күйдіру құралдары жиі қосылады. Олардың ішінде күйдіру құралдарының түрі мен құрамы SiC керамикасының жылу өткізгіштігіне үлкен әсер етеді. Мысалы, Al2O3 жүйесінің күйдіру құралдарындағы Al немесе O элементтері SiC торына оңай ериді, бұл бос орындар мен ақаулардың пайда болуына әкеледі, бұл фононның шашырауы жиілігінің артуына әкеледі. Сонымен қатар, күйдіру құралдарының құрамы төмен болса, материалды күйдіру және тығыздау қиын, ал күйдіру құралдарының көп мөлшері қоспалар мен ақаулардың артуына әкеледі. Сұйық фазалы күйдіру құралдарының шамадан тыс көп болуы SiC түйіршіктерінің өсуін тежеп, фонондардың орташа еркін жолын азайтуы мүмкін. Сондықтан, жоғары жылу өткізгіштігі бар SiC керамикасын дайындау үшін күйдіру тығыздығының талаптарын орындай отырып, күйдіру құралдарының құрамын мүмкіндігінше азайту және SiC торында еруі қиын күйдіру құралдарын таңдау қажет.
*Әртүрлі күйдіру құралдарын қосқан кездегі SiC керамикасының жылулық қасиеттері
Қазіргі уақытта BeO2-мен күйдіру құралы ретінде күйдірілген ыстықтай сығымдалған SiC керамикасының бөлме температурасында жылу өткізгіштігі максималды (270 Вт·м-1·K-1). Дегенмен, BeO2 өте улы материал және канцерогенді болып табылады және зертханаларда немесе өнеркәсіптік салаларда кеңінен қолдануға жарамсыз. Y2O3-Al2O3 жүйесінің ең төменгі эвтектикалық нүктесі 1760℃, бұл SiC керамикасы үшін кең таралған сұйық фазалы күйдіру құралы. Дегенмен, Al3+ SiC торына оңай еритіндіктен, бұл жүйе күйдіру құралы ретінде пайдаланылған кезде, SiC керамикасының бөлме температурасында жылу өткізгіштігі 200 Вт·м-1·K-1-ден аз.
Y, Sm, Sc, Gd және La сияқты сирек кездесетін жер элементтері SiC торында оңай еритін емес және жоғары оттегіге жақындыққа ие, бұл SiC торындағы оттегі мөлшерін тиімді түрде төмендетуі мүмкін. Сондықтан, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) жүйесі жоғары жылу өткізгіштікке ие (>200W·m-1·K-1) SiC керамикасын дайындауға арналған кең таралған күйдіру құралы болып табылады. Y2O3-Sc2O3 жүйесінің күйдіру құралын мысал ретінде алсақ, Y3+ және Si4+ иондық ауытқу мәні үлкен және екеуі де қатты ерітіндіге ұшырамайды. Sc-дің таза SiC-дегі ерігіштігі 1800~2600℃ температурада аз, шамамен (2~3)×1017атом·см-3.
2 Жоғары температуралы термиялық өңдеу
SiC керамикасын жоғары температурада термиялық өңдеу тор ақауларын, дислокацияларды және қалдық кернеулерді жоюға, кейбір аморфты материалдардың кристалдарға құрылымдық түрленуін ынталандыруға және фонондық шашыраудың әсерін әлсіретуге көмектеседі. Сонымен қатар, жоғары температурада термиялық өңдеу SiC түйіршіктерінің өсуін тиімді түрде ынталандыра алады және сайып келгенде материалдың жылулық қасиеттерін жақсарта алады. Мысалы, 1950°C температурада жоғары температурада термиялық өңдеуден кейін SiC керамикасының жылулық диффузия коэффициенті 83,03 мм2·s-1-ден 89,50 мм2·s-1-ге дейін өсті, ал бөлме температурасындағы жылу өткізгіштігі 180,94 Вт·м-1·K-1-ден 192,17 Вт·м-1·K-1-ге дейін өсті. Жоғары температурада термиялық өңдеу SiC бетіндегі және тордағы күйдіруші көмекшінің деоксидациялау қабілетін тиімді түрде жақсартады және SiC түйіршіктері арасындағы байланысты тығыздайды. Жоғары температурада термиялық өңдеуден кейін SiC керамикасының бөлме температурасындағы жылу өткізгіштігі айтарлықтай жақсарды.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 24 қазан