Моментално,силициум карбид (SiC)е термички спроводлив керамички материјал кој активно се изучува дома и во странство. Теоретската топлинска спроводливост на SiC е многу висока, а некои кристални форми можат да достигнат 270W/mK, што е веќе лидер меѓу неспроводливите материјали. На пример, примената на топлинската спроводливост на SiC може да се види во подлогите на полупроводничките уреди, керамичките материјали со висока топлинска спроводливост, грејачите и грејните плочи за обработка на полупроводници, материјалите за капсули за нуклеарно гориво и прстените за гасно заптивање за компресорски пумпи.
Примена насилициум карбидво полето на полупроводници
Брусните дискови и тела се важна процесна опрема за производство на силициумски плочки во полупроводничката индустрија. Ако дискот за брусење е направен од леано железо или јаглероден челик, неговиот век на траење е краток, а неговиот коефициент на термичка експанзија е голем. За време на обработката на силициумските плочки, особено за време на брзото брусење или полирање, поради абењето и термичката деформација на дискот за брусење, тешко е да се гарантира рамноста и паралелизмот на силициумската плочка. Дискот за брусење е направен одсилициум карбидна керамикаима мало абење поради високата тврдост, а неговиот коефициент на термичка експанзија е во основа ист како оној на силиконските плочки, така што може да се бруси и полира со голема брзина.
Дополнително, кога се произведуваат силициумски плочки, тие треба да се подложат на термичка обработка на висока температура и често се транспортираат со помош на силициум карбидни тела. Тие се отпорни на топлина и недеструктивни. Дијамантски сличен јаглерод (DLC) и други премази може да се нанесат на површината за да се подобрат перформансите, да се ублажат оштетувањата на плочките и да се спречи ширењето на контаминацијата.
Понатаму, како претставник на полупроводничките материјали од третата генерација со широк енергетски јаз, силициум карбидните монокристални материјали имаат својства како што се голема ширина на енергетскиот јаз (околу 3 пати поголема од Si), висока топлинска спроводливост (околу 3,3 пати поголема од Si или 10 пати поголема од GaAs), висока стапка на миграција на сатурација на електрони (околу 2,5 пати поголема од Si) и високо електрично поле на распаѓање (околу 10 пати поголема од Si или 5 пати поголема од GaAs). SiC уредите ги надоместуваат недостатоците на традиционалните полупроводнички материјали во практичните апликации и постепено стануваат мејнстрим на енергетски полупроводници.
Побарувачката за керамика од силициум карбид со висока топлинска спроводливост драматично се зголеми.
Со континуираниот развој на науката и технологијата, побарувачката за примена на силициум карбидна керамика во полето на полупроводници драматично се зголеми, а високата топлинска спроводливост е клучен индикатор за нејзина примена во компонентите на опремата за производство на полупроводници. Затоа, од клучно значење е да се зајакнат истражувањата за силициум карбидна керамика со висока топлинска спроводливост. Намалувањето на содржината на кислород во решетката, подобрувањето на густината и разумното регулирање на распределбата на втората фаза во решетката се главните методи за подобрување на топлинската спроводливост на силициум карбидната керамика.
Во моментов, во мојата земја има малку студии за силициум карбидна керамика со висока топлинска спроводливост, а сè уште постои голем јаз во споредба со светското ниво. Идните истражувачки насоки вклучуваат:
●Зајакнување на процесот на подготовка на силициум карбиден керамички прав. Подготовката на силициум карбиден прав со висока чистота и ниска содржина на кислород е основа за подготовка на силициум карбидна керамика со висока топлинска спроводливост;
● Зајакнување на изборот на помагала за синтерување и сродни теоретски истражувања;
●Зајакнување на истражувањето и развојот на опрема за синтерување од висока класа. Со регулирање на процесот на синтерување за да се добие разумна микроструктура, тоа е неопходен услов за добивање керамика од силициум карбид со висока топлинска спроводливост.
Мерки за подобрување на топлинската спроводливост на силициум-карбидната керамика
Клучот за подобрување на топлинската спроводливост на SiC керамиката е да се намали фреквенцијата на расејување на фононите и да се зголеми средната слободна патека на фононите. Топлинската спроводливост на SiC ќе биде ефикасно подобрена со намалување на порозноста и густината на границите на зрната на SiC керамиката, подобрување на чистотата на границите на зрната на SiC, намалување на нечистотиите или дефектите на решетката на SiC и зголемување на преносот на топлина во SiC. Во моментов, оптимизирањето на видот и содржината на помагалата за синтерување и термичката обработка на висока температура се главните мерки за подобрување на топлинската спроводливост на SiC керамиката.
① Оптимизирање на видот и содржината на помагалата за синтерување
Различни помагала за синтерување често се додаваат при подготовка на SiC керамика со висока топлинска спроводливост. Меѓу нив, видот и содржината на помагалата за синтерување имаат големо влијание врз топлинската спроводливост на SiC керамиката. На пример, Al или O елементите во помагалата за синтерување на системот Al2O3 лесно се раствораат во SiC решетката, што резултира со празнини и дефекти, што доведува до зголемување на фреквенцијата на расејување на фононите. Покрај тоа, ако содржината на помагалата за синтерување е ниска, материјалот е тешко да се синтерува и згуснува, додека високата содржина на помагала за синтерување ќе доведе до зголемување на нечистотиите и дефектите. Прекумерните помагала за синтерување во течна фаза исто така може да го инхибираат растот на SiC зрната и да го намалат средниот слободен пат на фононите. Затоа, за да се подготви SiC керамика со висока топлинска спроводливост, потребно е да се намали содржината на помагалата за синтерување колку што е можно повеќе, а воедно да се исполнат барањата за густина на синтерување, и да се обиде да избере помагала за синтерување кои тешко се раствораат во SiC решетката.
*Термички својства на SiC керамиката кога се додаваат различни помагала за синтерување
Во моментов, топло пресуваната SiC керамика синтерувана со BeO како средство за синтерување има максимална топлинска спроводливост на собна температура (270W·m-1·K-1). Сепак, BeO е многу токсичен материјал и канцероген, и не е погоден за широка примена во лаборатории или индустриски полиња. Најниската евтектичка точка на системот Y2O3-Al2O3 е 1760℃, што е вообичаено средство за синтерување во течна фаза за SiC керамика. Меѓутоа, бидејќи Al3+ лесно се раствора во SiC решетката, кога овој систем се користи како средство за синтерување, топлинската спроводливост на SiC керамика на собна температура е помала од 200W·m-1·K-1.
Ретките земни елементи како што се Y, Sm, Sc, Gd и La не се лесно растворливи во SiC решетката и имаат висок афинитет кон кислород, што може ефикасно да ја намали содржината на кислород во SiC решетката. Затоа, системот Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) е вообичаено средство за синтерување за подготовка на SiC керамика со висока топлинска спроводливост (>200W·m-1·K-1). Земајќи го средството за синтерување на системот Y2O3-Sc2O3 како пример, вредноста на отстапувањето на јоните на Y3+ и Si4+ е голема, а двата не се раствораат во цврст раствор. Растворливоста на Sc во чист SiC на 1800~2600℃ е мала, околу (2~3)×1017атоми·cm-3.
② Термичка обработка на висока температура
Термичката обработка на SiC керамиката на висока температура е погодна за елиминирање на дефектите на решетката, дислокациите и преостанатите напрегања, промовирајќи ја структурната трансформација на некои аморфни материјали во кристали и ослабувајќи го ефектот на расејување на фононите. Покрај тоа, термичката обработка на висока температура може ефикасно да го поттикне растот на зрната SiC и на крајот да ги подобри термичките својства на материјалот. На пример, по термичката обработка на висока температура на 1950°C, коефициентот на термичка дифузија на SiC керамиката се зголемил од 83,03 mm2·s-1 на 89,50 mm2·s-1, а топлинската спроводливост на собна температура се зголемила од 180,94 W·m-1·K-1 на 192,17 W·m-1·K-1. Термичката обработка на висока температура ефикасно ја подобрува способноста за деоксидација на средството за синтерување на површината на SiC и решетката и ја прави врската помеѓу зрната SiC поцврста. По термичката обработка на висока температура, топлинската спроводливост на собна температура на SiC керамиката е значително подобрена.
Време на објавување: 24 октомври 2024 година