Учурда,кремний карбиди (SiC)- бул үйдө жана чет өлкөлөрдө активдүү изилденип жаткан жылуулук өткөргүч керамикалык материал. SiC теориялык жылуулук өткөргүчтүгү абдан жогору жана кээ бир кристалл формалары 270 Вт/мК чейин жетиши мүмкүн, бул өткөргүч эмес материалдардын арасында алдыңкы орунда турат. Мисалы, SiC жылуулук өткөргүчтүгү жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн субстрат материалдарында, жогорку жылуулук өткөргүчтүктүү керамикалык материалдарда, жарым өткөргүчтөрдү иштетүү үчүн жылыткычтарда жана жылытуучу плиталарда, ядролук отун үчүн капсула материалдарында жана компрессордук насостор үчүн газ пломбалоочу шакекчелерде колдонулушун көрүүгө болот.
Колдонулушукремний карбидижарым өткөргүчтөр тармагында
Майдалоочу дисктер жана арматуралар жарым өткөргүч өнөр жайында кремний пластиналарын өндүрүү үчүн маанилүү технологиялык жабдуулар болуп саналат. Эгерде майдалоочу диск чоюндан же көмүртек болоттон жасалган болсо, анын иштөө мөөнөтү кыска жана жылуулук кеңейүү коэффициенти чоң болот. Кремний пластиналарын иштетүүдө, айрыкча жогорку ылдамдыкта майдалоо же жылтыратуу учурунда, майдалоочу дисктин эскириши жана жылуулук деформациясынан улам, кремний пластинасынын тегиздигин жана параллелдүүлүгүн камсыз кылуу кыйын.кремний карбиди керамикасыжогорку катуулугунан улам эскирүүсү аз жана жылуулук кеңейүү коэффициенти негизинен кремний пластиналарыныкына окшош, ошондуктан аны жогорку ылдамдыкта майдалап жана жылтыратууга болот.
Мындан тышкары, кремний пластиналары өндүрүлгөндө, алар жогорку температурада жылуулук менен иштетилиши керек жана көбүнчө кремний карбидинин арматуралары менен ташылат. Алар ысыкка туруктуу жана бузулбайт. Алмаз сымал көмүртек (DLC) жана башка каптоолорду бетине колдонуу менен иштин натыйжалуулугун жогорулатуу, пластинанын бузулушун азайтуу жана булгануунун жайылышын алдын алууга болот.
Андан тышкары, үчүнчү муундагы кең тилкелүү жарым өткөргүч материалдардын өкүлү катары, кремний карбидинин бир кристаллдуу материалдары чоң тилкелүү тилкенин туурасы (Siге караганда болжол менен 3 эсе), жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү (Siге караганда болжол менен 3,3 эсе же GaAsке караганда 10 эсе), электрондордун каныккандыгынын жогорку миграция ылдамдыгы (Siге караганда болжол менен 2,5 эсе) жана жогорку бузулуу электр талаасы (Siге караганда болжол менен 10 эсе же GaAsке караганда 5 эсе) сыяктуу касиеттерге ээ. SiC түзүлүштөрү практикалык колдонмолордо салттуу жарым өткөргүч материалдык түзүлүштөрдүн кемчиликтерин толтурат жана бара-бара кубаттуулуктагы жарым өткөргүчтөрдүн негизги агымына айланууда.
Жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар кремний карбиддик керамикасына суроо-талап кескин өстү
Илим менен техниканын тынымсыз өнүгүшү менен жарым өткөргүч тармагында кремний карбид керамикасын колдонууга болгон суроо-талап кескин жогорулады жана жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү аны жарым өткөргүч өндүрүш жабдууларынын компоненттеринде колдонуунун негизги көрсөткүчү болуп саналат. Ошондуктан, жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар кремний карбид керамикасы боюнча изилдөөлөрдү күчөтүү өтө маанилүү. Торчодогу кычкылтектин курамын азайтуу, тыгыздыгын жакшыртуу жана торчодогу экинчи фазанын бөлүштүрүлүшүн акылга сыярлык жөнгө салуу кремний карбид керамикасынын жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жакшыртуунун негизги ыкмалары болуп саналат.
Учурда менин өлкөмдө жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар кремний карбидинин керамикасы боюнча изилдөөлөр аз жана дүйнөлүк деңгээлге салыштырмалуу дагы эле чоң айырмачылык бар. Келечектеги изилдөө багыттары төмөнкүлөрдү камтыйт:
●Кремний карбидинин керамикалык порошогун даярдоо процессин изилдөөнү күчөтүү. Жогорку тазалыктагы, аз кычкылтектүү кремний карбидинин порошогун даярдоо жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар кремний карбидинин керамикасын даярдоонун негизи болуп саналат;
● Атомдук агрегаттарды тандоону жана ага байланыштуу теориялык изилдөөлөрдү күчөтүү;
●Жогорку класстагы бышыруу жабдууларын изилдөөнү жана иштеп чыгууну күчөтүү. Акылга сыярлык микроструктураны алуу үчүн бышыруу процессин жөнгө салуу менен, жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар кремний карбиддик керамиканы алуу зарыл шарт болуп саналат.
Кремний карбидинин керамикасынын жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жакшыртуу чаралары
SiC керамикасынын жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жакшыртуунун ачкычы - фонондун чачыратуу жыштыгын азайтуу жана фонондун орточо эркин жолун көбөйтүү. SiC жылуулук өткөрүмдүүлүгү SiC керамикасынын кеуектүүлүгүн жана дан чек ара тыгыздыгын азайтуу, SiC дан чек араларынын тазалыгын жакшыртуу, SiC торчосунун кошулмаларын же торчо кемчиликтерин азайтуу жана SiCдеги жылуулук агымынын өткөргүчтүгүн көбөйтүү аркылуу натыйжалуу жакшыртылат. Учурда, SiC керамикасынын жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жакшыртуунун негизги чаралары болуп, бышыруу каражаттарынын түрүн жана курамын оптималдаштыруу жана жогорку температурадагы жылуулук менен иштетүү саналат.
① Агломерациялоочу каражаттардын түрүн жана курамын оптималдаштыруу
Жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар SiC керамикасын даярдоодо ар кандай бышыруу каражаттары көп кошулат. Алардын арасында бышыруу каражаттарынын түрү жана курамы SiC керамикасынын жылуулук өткөрүмдүүлүгүнө чоң таасир этет. Мисалы, Al2O3 системасынын бышыруу каражаттарындагы Al же O элементтери SiC торчосуна оңой эрип, боштуктарды жана кемчиликтерди пайда кылат, бул фонондун чачыратуу жыштыгынын жогорулашына алып келет. Мындан тышкары, бышыруу каражаттарынын курамы аз болсо, материалды бышыруу жана тыгыздоо кыйын, ал эми бышыруу каражаттарынын курамынын жогору болушу кошулмалардын жана кемчиликтердин көбөйүшүнө алып келет. Ашыкча суюк фазадагы бышыруу каражаттары SiC бүртүкчөлөрүнүн өсүшүнө тоскоол болуп, фонондордун орточо эркин жолун кыскартышы мүмкүн. Ошондуктан, жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар SiC керамикасын даярдоо үчүн, бышыруу тыгыздыгынын талаптарын канааттандыруу менен бышыруу каражаттарынын курамын мүмкүн болушунча азайтуу жана SiC торчосунда эритүү кыйын болгон бышыруу каражаттарын тандоого аракет кылуу керек.
*Ар кандай бышыруу каражаттары кошулганда SiC керамикасынын жылуулук касиеттери
Учурда, BeO менен блендерлөөчү каражат катары блендерленген ысык пресстелген SiC керамикасынын бөлмө температурасында максималдуу жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар (270W·m-1·K-1). Бирок, BeO өтө уулуу материал жана канцерогендик болуп саналат жана лабораторияларда же өнөр жай тармактарында кеңири колдонууга ылайыктуу эмес. Y2O3-Al2O3 системасынын эң төмөнкү эвтектикалык чекити 1760℃, бул SiC керамикасы үчүн кеңири таралган суюк фазадагы блендерлөөчү каражат. Бирок, Al3+ SiC торчосуна оңой эригендиктен, бул система блендерлөөчү каражат катары колдонулганда, SiC керамикасынын бөлмө температурасында жылуулук өткөрүмдүүлүгү 200W·m-1·K-1ден аз.
Y, Sm, Sc, Gd жана La сыяктуу сейрек кездешүүчү жер элементтери SiC торчосунда оңой эрибейт жана кычкылтек менен жогорку байланышка ээ, бул SiC торчосунун кычкылтек курамын натыйжалуу түрдө азайта алат. Ошондуктан, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) системасы жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү (>200W·m-1·K-1) SiC керамикасын даярдоо үчүн кеңири таралган бышыруу каражаты болуп саналат. Y2O3-Sc2O3 системасын бышыруу каражатын мисал катары алсак, Y3+ жана Si4+ иондук четтөө мааниси чоң жана экөө катуу эритмеге дуушар болбойт. Scтин таза SiCдеги эригичтиги 1800~2600℃ температурада аз, болжол менен (2~3)×1017атом·см-3.
② Жогорку температурадагы жылуулук менен иштетүү
SiC керамикасын жогорку температурада жылуулук менен иштетүү торчо кемчиликтерин, дислокацияларды жана калдык чыңалууларды жок кылууга, айрым аморфтук материалдардын кристаллдарга структуралык трансформациясын күчөтүүгө жана фонондордун чачырашынын таасирин басаңдатууга өбөлгө түзөт. Мындан тышкары, жогорку температурада жылуулук менен иштетүү SiC бүртүкчөлөрүнүн өсүшүнө натыйжалуу түрткү берип, акырында материалдын жылуулук касиеттерин жакшырта алат. Мисалы, 1950°C температурада жогорку температурада жылуулук менен иштетүүдөн кийин, SiC керамикасынын жылуулук диффузия коэффициенти 83,03 мм2·s-1ден 89,50 мм2·s-1ге чейин, ал эми бөлмө температурасында жылуулук өткөрүмдүүлүгү 180,94 Вт·м-1·K-1ден 192,17 Вт·м-1·K-1ге чейин жогорулаган. Жогорку температурада жылуулук менен иштетүү SiC бетинде жана торчодо бышыруу жардамчысынын деоксидациялоо жөндөмүн натыйжалуу жакшыртат жана SiC бүртүкчөлөрүнүн ортосундагы байланышты бекемдейт. Жогорку температурада жылуулук менен иштетүүдөн кийин, SiC керамикасынын бөлмө температурасында жылуулук өткөрүмдүүлүгү бир топ жакшырды.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 24-октябры