Тренутно,силицијум карбид (SiC)је топлотно проводљиви керамички материјал који се активно проучава у земљи и иностранству. Теоретска топлотна проводљивост SiC-а је веома висока, а неки кристални облици могу достићи 270 W/mK, што је већ лидер међу непроводљивим материјалима. На пример, примена топлотне проводљивости SiC-а може се видети у материјалима подлоге полупроводничких уређаја, керамичким материјалима високе топлотне проводљивости, грејачима и грејним плочама за обраду полупроводника, материјалима капсула за нуклеарно гориво и прстеновима за заптивање гаса за компресорске пумпе.
Применасилицијум карбиду области полупроводника
Брусни дискови и причвршћивачи су важна процесна опрема за производњу силицијумских плочица у полупроводничкој индустрији. Ако је брусни диск направљен од ливеног гвожђа или угљеничног челика, његов век трајања је кратак, а коефицијент термичког ширења велики. Током обраде силицијумских плочица, посебно током брушења или полирања великом брзином, због хабања и термичке деформације брусног диска, тешко је гарантовати равност и паралелност силицијумске плочице. Брусни диск направљен одсилицијум карбид керамикаима мало хабање због високе тврдоће, а коефицијент термичког ширења је у основи исти као и код силицијумских плочица, тако да се може брусити и полирати великом брзином.
Поред тога, када се производе силицијумске плочице, оне морају да се подвргну термичкој обради на високим температурама и често се транспортују помоћу силицијум-карбидних држача. Оне су отпорне на топлоту и недеструктивне. Угљеник сличан дијаманту (DLC) и други премази могу се нанети на површину како би се побољшале перформансе, ублажила оштећења плочица и спречило ширење контаминације.
Штавише, као представник полупроводничких материјала са широким енергетским процепом треће генерације, монокристални материјали од силицијум карбида имају својства као што су велика ширина енергетског процепа (око 3 пута већа од Si), висока топлотна проводљивост (око 3,3 пута већа од Si или 10 пута већа од GaAs), висока брзина миграције засићења електрона (око 2,5 пута већа од Si) и високо пробојно електрично поље (око 10 пута већа од Si или 5 пута већа од GaAs). SiC уређаји надокнађују недостатке традиционалних полупроводничких материјала у практичним применама и постепено постају главни део енергетских полупроводника.
Потражња за силицијум карбидном керамиком високе топлотне проводљивости драматично је порасла
Са континуираним развојем науке и технологије, потражња за применом силицијум карбидне керамике у области полупроводника драматично је порасла, а висока топлотна проводљивост је кључни показатељ за њену примену у компонентама опреме за производњу полупроводника. Стога је кључно ојачати истраживање силицијум карбидне керамике високе топлотне проводљивости. Смањење садржаја кисеоника у решетки, побољшање густине и разумно регулисање расподеле друге фазе у решетки су главне методе за побољшање топлотне проводљивости силицијум карбидне керамике.
Тренутно постоји мало студија о силицијум-карбидној керамици високе топлотне проводљивости у мојој земљи, и још увек постоји велики јаз у поређењу са светским нивоом. Будући правци истраживања укључују:
●Ојачати истраживање процеса припреме керамичког праха силицијум карбида. Припрема праха силицијум карбида високе чистоће са ниским садржајем кисеоника је основа за припрему керамике силицијум карбида високе топлотне проводљивости;
● Ојачати избор помоћних средстава за синтеровање и сродна теоријска истраживања;
●Ојачати истраживање и развој врхунске опреме за синтеровање. Регулисањем процеса синтеровања ради добијања разумне микроструктуре, неопходан је услов за добијање силицијум карбидне керамике високе топлотне проводљивости.
Мере за побољшање топлотне проводљивости силицијум-карбидне керамике
Кључ за побољшање топлотне проводљивости SiC керамике је смањење фреквенције расејања фонона и повећање средњег слободног пута фонона. Топлотна проводљивост SiC ће се ефикасно побољшати смањењем порозности и густине граница зрна SiC керамике, побољшањем чистоће граница зрна SiC, смањењем нечистоћа или дефеката решетке SiC и повећањем носиоца преноса топлотног тока у SiC. Тренутно, оптимизација врсте и садржаја помоћних средстава за синтеровање и термичка обрада на високим температурама су главне мере за побољшање топлотне проводљивости SiC керамике.
① Оптимизација врсте и садржаја помоћних средстава за синтеровање
Различита помоћна средства за синтеровање се често додају приликом припреме SiC керамике високе топлотне проводљивости. Међу њима, врста и садржај помоћних средстава за синтеровање имају велики утицај на топлотну проводљивост SiC керамике. На пример, Al или O елементи у помоћним средствима за синтеровање Al2O3 система се лако растварају у SiC решетки, што резултира празнинама и дефектима, што доводи до повећања фреквенције расејања фонона. Поред тога, ако је садржај помоћних средстава за синтеровање низак, материјал је тешко синтеровати и згуснути, док ће висок садржај помоћних средстава за синтеровање довести до повећања нечистоћа и дефеката. Прекомерна помоћна средства за синтеровање у течној фази такође могу инхибирати раст SiC зрна и смањити средњи слободни пут фонона. Стога, да би се припремила SiC керамика високе топлотне проводљивости, неопходно је што више смањити садржај помоћних средстава за синтеровање, уз испуњавање захтева густине синтеровања, и покушати одабрати помоћна средства за синтеровање која се тешко растварају у SiC решетки.
*Термичка својства SiC керамике када се додају различита помоћна средства за синтеровање
Тренутно, топло пресована SiC керамика синтерована са BeO као помоћним средством за синтеровање има максималну топлотну проводљивост на собној температури (270 W·m-1·K-1). Међутим, BeO је веома токсичан и канцероген материјал и није погодан за широку примену у лабораторијама или индустријским областима. Најнижа еутектичка тачка система Y2O3-Al2O3 је 1760℃, што је уобичајено помоћно средство за синтеровање SiC керамике у течној фази. Међутим, пошто се Al3+ лако раствара у SiC решетки, када се овај систем користи као помоћно средство за синтеровање, топлотна проводљивост SiC керамике на собној температури је мања од 200 W·m-1·K-1.
Ретки земни елементи као што су Y, Sm, Sc, Gd и La нису лако растворљиви у SiC решетки и имају висок афинитет према кисеонику, што може ефикасно смањити садржај кисеоника у SiC решетки. Стога је систем Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) уобичајено помоћно средство за синтеровање за припрему SiC керамике високе топлотне проводљивости (>200W·m-1·K-1). Узимајући систем Y2O3-Sc2O3 као пример, вредност јонског одступања Y3+ и Si4+ је велика, и та два не подлежу чврстом раствору. Растворљивост Sc у чистом SiC на 1800~2600℃ је мала, око (2~3)×1017 атома·cm-3.
② Термичка обрада на високој температури
Термичка обрада SiC керамике на високим температурама доприноси елиминацији дефеката решетке, дислокација и заосталих напона, подстичући структурну трансформацију неких аморфних материјала у кристале и слабећи ефекат расејања фонона. Поред тога, термичка обрада на високим температурама може ефикасно подстаћи раст SiC зрна и на крају побољшати термичка својства материјала. На пример, након термичке обраде на високим температурама на 1950°C, коефицијент термичке дифузије SiC керамике повећао се са 83,03 mm2·s-1 на 89,50 mm2·s-1, а топлотна проводљивост на собној температури повећала се са 180,94 W·m-1·K-1 на 192,17 W·m-1·K-1. Термичка обрада на високим температурама ефикасно побољшава способност деоксидације помоћног средства за синтеровање на површини и решетки SiC и чини везу између SiC зрна чвршћом. Након термичке обраде на високим температурама, топлотна проводљивост SiC керамике на собној температури је значајно побољшана.
Време објаве: 24. октобар 2024.