Praeguränikarbiid (SiC)on soojust juhtiv keraamiline materjal, mida aktiivselt uuritakse nii kodu- kui välismaal. SiC teoreetiline soojusjuhtivus on väga kõrge ja mõned kristallivormid võivad ulatuda 270 W/mK-ni, mis on juba liider mittejuhtivate materjalide hulgas. Näiteks võib SiC soojusjuhtivuse rakendamist näha pooljuhtseadmete alusmaterjalides, kõrge soojusjuhtivusega keraamilistes materjalides, pooljuhtide töötlemiseks kasutatavates küttekehades ja kuumutusplaatides, tuumkütuse kapslimaterjalides ja kompressorpumpade gaasitihendusrõngastes.
Rakendusränikarbiidpooljuhtide valdkonnas
Lihvimiskettad ja kinnitusdetailid on olulised protsessiseadmed räniplaatide tootmiseks pooljuhtide tööstuses. Kui lihvketas on valmistatud malmist või süsinikterasest, on selle kasutusiga lühike ja soojuspaisumistegur suur. Ränivahvlite töötlemisel, eriti kiirel lihvimisel või poleerimisel, on lihvketta kulumise ja termilise deformatsiooni tõttu raske tagada räniplaadi tasasust ja paralleelsust. Lihvimisketas valmistatudränikarbiidist keraamikaon kõrge kõvaduse tõttu vähe kulunud ja selle soojuspaisumise koefitsient on põhimõtteliselt sama kui räniplaatidel, seega saab seda suurel kiirusel lihvida ja poleerida.
Lisaks tuleb räniplaatide tootmisel läbida kõrgtemperatuuriline kuumtöötlus ja neid transporditakse sageli ränikarbiidist kinnitusvahenditega. Need on kuumakindlad ja mittepurustavad. Teemantilaadset süsinikku (DLC) ja muid katteid saab pinnale kanda, et parandada jõudlust, leevendada vahvlikahjustusi ja vältida saaste levikut.
Lisaks on ränikarbiidist monokristallmaterjalidel kolmanda põlvkonna laia ribalaiusega pooljuhtmaterjalide esindajad sellised omadused nagu suur ribalaius (umbes 3 korda suurem Si-st), kõrge soojusjuhtivus (umbes 3,3 korda suurem kui Si-l või 10 korda suurem). GaAs oma, kõrge elektronide küllastumise migratsioonikiirus (ligikaudu 2,5 korda suurem kui Si-l) ja tugev elektriväli (umbes 10 korda suurem kui Si või 5 korral). korda suurem kui GaAs). SiC-seadmed korvavad praktilistes rakendustes traditsiooniliste pooljuhtmaterjalist seadmete defektid ja muutuvad järk-järgult jõuliste pooljuhtide peavooluks.
Nõudlus suure soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika järele on järsult kasvanud
Teaduse ja tehnoloogia pideva arenguga on nõudlus ränikarbiidkeraamika kasutamise järele pooljuhtide valdkonnas järsult kasvanud ning kõrge soojusjuhtivus on selle kasutamise võtmenäitaja pooljuhtide tootmisseadmete komponentides. Seetõttu on ülioluline tugevdada kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika uuringuid. Ränikarbiidkeraamika soojusjuhtivuse parandamiseks on peamised meetodid võre hapnikusisalduse vähendamine, tiheduse parandamine ja teise faasi jaotuse mõistlik reguleerimine võres.
Praegu on minu riigis vähe uuringuid kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika kohta ja maailmatasemega võrreldes on endiselt suur erinevus. Tulevased uurimissuunad hõlmavad järgmist:
● Tugevdada ränikarbiidi keraamilise pulbri ettevalmistusprotsessi uurimist. Kõrge puhtusastmega madala hapnikusisaldusega ränikarbiidi pulbri valmistamine on kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidi keraamika valmistamise aluseks;
● Tugevdada paagutamise abivahendite valikut ja sellega seotud teoreetilisi uuringuid;
● Tugevdada tipptasemel paagutamisseadmete uurimis- ja arendustegevust. Reguleerides paagutamisprotsessi mõistliku mikrostruktuuri saamiseks, on see vajalik tingimus kõrge soojusjuhtivusega ränikarbiidkeraamika saamiseks.
Meetmed ränikarbiidkeraamika soojusjuhtivuse parandamiseks
SiC keraamika soojusjuhtivuse parandamise võti on fononi hajumise sageduse vähendamine ja fononi keskmise vaba tee suurendamine. SiC soojusjuhtivust parandatakse tõhusalt, vähendades SiC keraamika poorsust ja tera piiri tihedust, parandades ränikarbiidi terapiiride puhtust, vähendades SiC võre lisandeid või võre defekte ning suurendades soojusvoo ülekandekandjat ränikarbiidis. Praegu on paagutamise abivahendite tüübi ja sisalduse optimeerimine ning kõrgtemperatuuriline kuumtöötlemine peamised meetmed SiC keraamika soojusjuhtivuse parandamiseks.
① Paagutamise abivahendite tüübi ja sisu optimeerimine
Kõrge soojusjuhtivusega SiC keraamika valmistamisel lisatakse sageli erinevaid paagutamise abivahendeid. Nende hulgas on paagutamise abivahendite tüübil ja sisaldusel suur mõju SiC keraamika soojusjuhtivusele. Näiteks Al2O3 süsteemi paagutamise abivahendites olevad Al või O elemendid lahustuvad kergesti SiC võres, mille tulemuseks on vabu kohti ja defekte, mis toob kaasa fononi hajumise sageduse suurenemise. Lisaks, kui paagutamise abiainete sisaldus on madal, on materjali raske paagutada ja tihendada, samas kui paagutamise abiainete kõrge sisaldus toob kaasa lisandite ja defektide suurenemise. Liigsed vedelfaasilised paagutamise abivahendid võivad samuti pärssida ränikarbiidi terade kasvu ja vähendada fonoonide keskmist vaba teed. Seetõttu on suure soojusjuhtivusega SiC keraamika valmistamiseks vaja paagutamistiheduse nõudeid täites võimalikult palju vähendada paagutamise abiainete sisaldust ning püüda valida SiC võres raskesti lahustuvad paagutamise abivahendid.
*SiC keraamika termilised omadused erinevate paagutamise abivahendite lisamisel
Praegu on kuumpressitud SiC keraamika, mis on paagutamise abivahendina paagutatud BeO-ga, maksimaalne toatemperatuuri soojusjuhtivus (270W·m-1·K-1). Kuid BeO on väga mürgine ja kantserogeenne materjal ning ei sobi laialdaseks kasutamiseks laborites ega tööstusvaldkondades. Y2O3-Al2O3 süsteemi madalaim eutektiline punkt on 1760 ℃, mis on tavaline ränikarbiidi keraamika vedelfaasi paagutamise abivahend. Kuna aga Al3+ lahustub kergesti SiC võres, siis selle süsteemi kasutamisel paagutamise abivahendina jääb SiC keraamika toatemperatuuril soojusjuhtivus alla 200W·m-1·K-1.
Haruldased muldmetallid, nagu Y, Sm, Sc, Gd ja La, ei lahustu SiC võres kergesti ja neil on kõrge hapnikuafiinsus, mis võib tõhusalt vähendada SiC võre hapnikusisaldust. Seetõttu on Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) süsteem levinud paagutamise abivahend kõrge soojusjuhtivusega (>200W·m-1·K-1) SiC keraamika valmistamisel. Võttes näiteks Y2O3-Sc2O3 süsteemi paagutamise abivahendi, on Y3+ ja Si4+ ioonide hälbe väärtus suur ning need kaks ei lahustu tahkeks. Sc lahustuvus puhtas ränidioksiidis temperatuuril 1800–2600 ℃ on väike, umbes (2–3) × 1017 aatomit·cm–3.
② Kõrge temperatuuriga kuumtöötlus
SiC keraamika kõrgel temperatuuril kuumtöötlemine aitab kõrvaldada võre defekte, dislokatsioone ja jääkpingeid, soodustada mõnede amorfsete materjalide struktuurset muutumist kristallideks ja nõrgendada fonoonide hajumise efekti. Lisaks võib kõrgtemperatuuriline kuumtöötlus tõhusalt soodustada ränikarbiidi terade kasvu ja lõppkokkuvõttes parandada materjali termilisi omadusi. Näiteks pärast kõrgel temperatuuril kuumtöötlemist temperatuuril 1950 °C suurenes SiC keraamika termilise difusiooni koefitsient 83,03 mm2·s-1-lt 89,50 mm2·s-1-le ja toatemperatuuri soojusjuhtivus tõusis 180,94 W·m-lt. -1·K-1 kuni 192,17 W·m-1·K-1. Kõrgtemperatuuriline kuumtöötlemine parandab tõhusalt paagutamise abivahendi deoksüdatsioonivõimet SiC pinnal ja võrel ning muudab ühenduse ränikarbiidi terade vahel tihedamaks. Pärast kõrgtemperatuurset kuumtöötlust on SiC keraamika toatemperatuuril soojusjuhtivus oluliselt paranenud.
Postitusaeg: 24.10.2024