V súčasnosti,karbid kremíka (SiC)je tepelne vodivý keramický materiál, ktorý sa aktívne študuje doma aj v zahraničí. Teoretická tepelná vodivosť SiC je veľmi vysoká a niektoré kryštalické formy môžu dosiahnuť 270 W/mK, čo je už teraz lídrom medzi nevodivými materiálmi. Napríklad uplatnenie tepelnej vodivosti SiC možno vidieť v substrátových materiáloch polovodičových zariadení, keramických materiáloch s vysokou tepelnou vodivosťou, ohrievačoch a vykurovacích doskách na spracovanie polovodičov, materiáloch kapsúl pre jadrové palivo a tesniacich krúžkoch pre plyn pre kompresorové čerpadlá.
Aplikáciakarbid kremíkav oblasti polovodičov
Brúsne kotúče a upínacie prípravky sú dôležitým procesným zariadením na výrobu kremíkových doštičiek v polovodičovom priemysle. Ak je brúsny kotúč vyrobený z liatiny alebo uhlíkovej ocele, jeho životnosť je krátka a koeficient tepelnej rozťažnosti je veľký. Počas spracovania kremíkových doštičiek, najmä pri vysokorýchlostnom brúsení alebo leštení, je v dôsledku opotrebovania a tepelnej deformácie brúsneho kotúča ťažké zaručiť rovinnosť a rovnobežnosť kremíkových doštičiek. Brúsny kotúč vyrobený z...keramika z karbidu kremíkamá nízke opotrebenie vďaka vysokej tvrdosti a jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je v podstate rovnaký ako u kremíkových doštičiek, takže sa dá brúsiť a leštiť vysokou rýchlosťou.
Okrem toho, keď sa kremíkové doštičky vyrábajú, musia sa podrobiť tepelnému spracovaniu pri vysokých teplotách a často sa prepravujú pomocou prípravkov z karbidu kremíka. Sú tepelne odolné a nedeštruktívne. Na povrch sa môže nanášať diamantový uhlík (DLC) a iné povlaky, ktoré zlepšujú výkon, zmierňujú poškodenie doštičiek a zabraňujú šíreniu kontaminácie.
Okrem toho, ako predstavitelia polovodičových materiálov so širokým pásmovým zakázaným pásmom tretej generácie, majú monokryštálové materiály karbidu kremíka vlastnosti, ako je veľká šírka pásmového zakázaného pásma (približne 3-krát väčšia ako Si), vysoká tepelná vodivosť (približne 3,3-krát väčšia ako Si alebo 10-krát väčšia ako GaAs), vysoká rýchlosť migrácie elektrónovej saturácie (približne 2,5-krát väčšia ako Si) a vysoké prierazné elektrické pole (približne 10-krát väčšia ako Si alebo 5-krát väčšia ako GaAs). Zariadenia SiC kompenzujú nedostatky tradičných polovodičových materiálov v praktických aplikáciách a postupne sa stávajú hlavným prúdom výkonových polovodičov.
Dopyt po karbid-silikónovej keramike s vysokou tepelnou vodivosťou dramaticky vzrástol.
S neustálym rozvojom vedy a techniky dramaticky vzrástol dopyt po aplikácii karbid kremíkových keramických materiálov v oblasti polovodičov a vysoká tepelná vodivosť je kľúčovým ukazovateľom ich použitia v súčiastkach zariadení na výrobu polovodičov. Preto je nevyhnutné posilniť výskum karbid kremíkových keramických materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou. Hlavnými metódami na zlepšenie tepelnej vodivosti karbid kremíkových keramických materiálov sú zníženie obsahu kyslíka v mriežke, zlepšenie hustoty a primeraná regulácia rozloženia druhej fázy v mriežke.
V súčasnosti existuje v mojej krajine len málo štúdií o karbidokremičitej keramike s vysokou tepelnou vodivosťou a v porovnaní so svetovou úrovňou je stále veľká medzera. Budúce smery výskumu zahŕňajú:
● Posilniť výskum procesu prípravy keramického prášku karbidu kremíka. Príprava vysoko čistého prášku karbidu kremíka s nízkym obsahom kyslíka je základom pre prípravu keramiky z karbidu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou;
● Posilniť výber spekacích pomôcok a súvisiaci teoretický výskum;
●Posilniť výskum a vývoj špičkových spekacích zariadení. Regulácia procesu spekania s cieľom dosiahnuť primeranú mikroštruktúru je nevyhnutnou podmienkou pre získanie karbid-kremíkovej keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou.
Opatrenia na zlepšenie tepelnej vodivosti karbid kremíkových keramických materiálov
Kľúčom k zlepšeniu tepelnej vodivosti SiC keramiky je zníženie frekvencie rozptylu fonónov a zvýšenie strednej voľnej dráhy fonónov. Tepelná vodivosť SiC sa účinne zlepší znížením pórovitosti a hustoty hraníc zŕn SiC keramiky, zlepšením čistoty hraníc zŕn SiC, znížením nečistôt alebo mriežkových defektov SiC a zvýšením nosiča prenosu tepla v SiC. V súčasnosti sú hlavnými opatreniami na zlepšenie tepelnej vodivosti SiC keramiky optimalizácia typu a obsahu spekacích prísad a vysokoteplotné tepelné spracovanie.
① Optimalizácia typu a obsahu spekacích pomôcok
Pri príprave SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou sa často pridávajú rôzne spekacie prísady. Medzi nimi má typ a obsah spekacích prísad veľký vplyv na tepelnú vodivosť SiC keramiky. Napríklad prvky Al alebo O v spekacích prísadách systému Al2O3 sa ľahko rozpúšťajú v mriežke SiC, čo vedie k tvorbe voľných miest a defektov, čo vedie k zvýšeniu frekvencie rozptylu fonónov. Okrem toho, ak je obsah spekacích prísad nízky, materiál sa ťažko speká a zhutňuje, zatiaľ čo vysoký obsah spekacích prísad vedie k zvýšeniu nečistôt a defektov. Nadmerné množstvo spekacích prísad v kvapalnej fáze môže tiež inhibovať rast zŕn SiC a znižovať strednú voľnú dráhu fonónov. Preto je na prípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou potrebné čo najviac znížiť obsah spekacích prísad a zároveň splniť požiadavky na hustotu spekania a snažiť sa vybrať spekacie prísady, ktoré sa ťažko rozpúšťajú v mriežke SiC.
*Tepelné vlastnosti SiC keramiky po pridaní rôznych spekacích prísad
V súčasnosti má za tepla lisovaná SiC keramika spekaná s BeO ako spekacou prísadou maximálnu tepelnú vodivosť pri izbovej teplote (270 W·m-1·K-1). BeO je však vysoko toxický a karcinogénny materiál, a preto nie je vhodný na široké použitie v laboratóriách alebo priemyselných oblastiach. Najnižší eutektický bod systému Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, čo je bežná kvapalná fázová spekacia prísada pre SiC keramiku. Keďže sa však Al3+ ľahko rozpúšťa v mriežke SiC, pri použití tohto systému ako spekacej prísady je tepelná vodivosť SiC keramiky pri izbovej teplote menšia ako 200 W·m-1·K-1.
Prvky vzácnych zemín, ako sú Y, Sm, Sc, Gd a La, nie sú ľahko rozpustné v mriežke SiC a majú vysokú afinitu ku kyslíku, čo môže účinne znižovať obsah kyslíka v mriežke SiC. Preto je systém Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) bežnou spekacou prísadou na prípravu SiC keramiky s vysokou tepelnou vodivosťou (> 200 W·m-1·K-1). Ak vezmeme ako príklad spekaciu prísadu systému Y2O3-Sc2O3, hodnota iónovej odchýlky Y3+ a Si4+ je veľká a tieto dva ionty neprechádzajú do tuhého roztoku. Rozpustnosť Sc v čistom SiC pri teplote 1800~2600 ℃ je malá, približne (2~3)×1017atómov·cm-3.
② Tepelné spracovanie pri vysokej teplote
Tepelné spracovanie SiC keramiky pri vysokej teplote prispieva k eliminácii mriežkových defektov, dislokácií a zvyškových napätí, podporuje štrukturálnu transformáciu niektorých amorfných materiálov na kryštály a oslabuje efekt rozptylu fonónov. Okrem toho môže tepelné spracovanie pri vysokej teplote účinne podporiť rast zŕn SiC a v konečnom dôsledku zlepšiť tepelné vlastnosti materiálu. Napríklad po tepelnom spracovaní pri vysokej teplote 1950 °C sa koeficient tepelnej difúzie SiC keramiky zvýšil z 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1 a tepelná vodivosť pri izbovej teplote sa zvýšila zo 180,94 W·m-1·K-1 na 192,17 W·m-1·K-1. Tepelné spracovanie pri vysokej teplote účinne zlepšuje deoxidačnú schopnosť spekacej prísady na povrchu a mriežke SiC a vytvára pevnejšie spojenie medzi zrnami SiC. Po tepelnom spracovaní pri vysokej teplote sa výrazne zlepšila tepelná vodivosť SiC keramiky pri izbovej teplote.
Čas uverejnenia: 24. októbra 2024