Trenutno,silicijev karbid (SiC)je toplinski vodljivi keramički materijal koji se aktivno proučava u zemlji i inozemstvu. Teoretska toplinska vodljivost SiC-a je vrlo visoka, a neki kristalni oblici mogu doseći 270 W/mK, što je već lider među nevodljivim materijalima. Na primjer, primjena SiC toplinske vodljivosti može se vidjeti u materijalima supstrata poluvodičkih uređaja, keramičkim materijalima visoke toplinske vodljivosti, grijačima i grijaćim pločama za obradu poluvodiča, materijalima za kapsule za nuklearno gorivo i plinskim brtvenim prstenovima za kompresorske pumpe.
Primjena odsilicijev karbidu polju poluvodiča
Brusni diskovi i učvršćenja važna su procesna oprema za proizvodnju silicijskih pločica u industriji poluvodiča. Ako je ploča za mljevenje izrađena od lijevanog željeza ili ugljičnog čelika, njen vijek trajanja je kratak, a koeficijent toplinske ekspanzije velik. Tijekom obrade silicijskih pločica, posebno tijekom brušenja ili poliranja velikom brzinom, zbog trošenja i toplinske deformacije brusnog diska teško je jamčiti ravnost i paralelizam silicijskih pločica. Brusni disk izrađen odsilicij karbid keramikaima nisko trošenje zbog svoje visoke tvrdoće, a njegov koeficijent toplinske ekspanzije je u osnovi isti kao kod silicijskih pločica, tako da se može brusiti i polirati velikom brzinom.
Osim toga, kada se proizvode silicijske pločice, potrebno ih je podvrgnuti toplinskoj obradi na visokoj temperaturi i često se transportiraju pomoću učvršćenja od silicij karbida. Otporne su na toplinu i ne destruktivne su. Diamond-like carbon (DLC) i drugi premazi mogu se nanijeti na površinu kako bi se poboljšala izvedba, ublažilo oštećenje ploče i spriječilo širenje kontaminacije.
Nadalje, kao predstavnik širokopojasnih poluvodičkih materijala treće generacije, monokristalni materijali silicijevog karbida imaju svojstva kao što su široka širina razmaka (oko 3 puta veća od Si), visoka toplinska vodljivost (oko 3,3 puta veća od Si ili 10 puta od GaAs), visoka brzina migracije zasićenja elektrona (oko 2,5 puta veća od Si) i visoko probojno električno polje (oko 10 puta više od Si ili 5 puta više od GaAs). SiC uređaji nadoknađuju nedostatke tradicionalnih uređaja od poluvodičkih materijala u praktičnim primjenama i postupno postaju glavna struja energetskih poluvodiča.
Potražnja za keramikom od silicij karbida visoke toplinske vodljivosti dramatično je porasla
Uz kontinuirani razvoj znanosti i tehnologije, potražnja za primjenom keramike od silicij-karbida u području poluvodiča dramatično je porasla, a visoka toplinska vodljivost ključni je pokazatelj za njezinu primjenu u komponentama opreme za proizvodnju poluvodiča. Stoga je od presudne važnosti ojačati istraživanje silicij karbidne keramike visoke toplinske vodljivosti. Smanjenje sadržaja kisika u rešetki, poboljšanje gustoće i razumno reguliranje raspodjele druge faze u rešetki glavne su metode za poboljšanje toplinske vodljivosti silicij karbidne keramike.
Trenutačno postoji nekoliko studija o keramici od silicij karbida visoke toplinske vodljivosti u mojoj zemlji i još uvijek postoji veliki jaz u usporedbi sa svjetskom razinom. Budući pravci istraživanja uključuju:
●Pojačajte istraživanje procesa pripreme keramičkog praha od silicij karbida. Priprava praha silicijevog karbida visoke čistoće s niskim sadržajem kisika osnova je za pripremu keramike od silicijeva karbida visoke toplinske vodljivosti;
● Ojačati izbor pomoćnih sredstava za sinteriranje i povezana teorijska istraživanja;
●Pojačati istraživanje i razvoj vrhunske opreme za sinteriranje. Reguliranje procesa sinteriranja za dobivanje razumne mikrostrukture nužan je uvjet za dobivanje keramike od silicij karbida visoke toplinske vodljivosti.
Mjere za poboljšanje toplinske vodljivosti silicij-karbid keramike
Ključ za poboljšanje toplinske vodljivosti SiC keramike je smanjenje frekvencije raspršenja fonona i povećanje srednjeg slobodnog puta fonona. Toplinska vodljivost SiC-a učinkovito će se poboljšati smanjenjem poroznosti i gustoće granica zrna SiC keramike, poboljšanjem čistoće granica zrna SiC-a, smanjenjem nečistoća rešetke SiC-a ili defekata rešetke i povećanjem prijenosnika toplinskog toka u SiC-u. Trenutno su glavne mjere za poboljšanje toplinske vodljivosti SiC keramike optimizacija vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinteriranje i toplinska obrada na visokim temperaturama.
① Optimiziranje vrste i sadržaja pomoćnih sredstava za sinteriranje
Prilikom pripreme SiC keramike visoke toplinske vodljivosti često se dodaju različita sredstva za sinteriranje. Među njima, vrsta i sadržaj pomoćnih tvari za sinteriranje imaju velik utjecaj na toplinsku vodljivost SiC keramike. Na primjer, elementi Al ili O u pomoćnim sredstvima za sinteriranje sustava Al2O3 lako se otapaju u SiC rešetku, što rezultira prazninama i defektima, što dovodi do povećanja frekvencije raspršenja fonona. Osim toga, ako je sadržaj pomoćnih tvari za sinteriranje nizak, materijal je teško sinterirati i zgusnuti, dok će visok sadržaj pomoćnih tvari za sinteriranje dovesti do povećanja nečistoća i nedostataka. Prekomjerna pomoćna sredstva za sinteriranje u tekućoj fazi također mogu inhibirati rast SiC zrnaca i smanjiti srednji slobodni put fonona. Stoga, kako bi se pripremila SiC keramika visoke toplinske vodljivosti, potrebno je što je moguće više smanjiti sadržaj pomoćnih tvari za sinteriranje uz ispunjavanje zahtjeva gustoće sinteriranja, te pokušati odabrati pomoćna sredstva za sinteriranje koja se teško otapaju u SiC rešetki.
* Toplinska svojstva SiC keramike kada se dodaju različita sredstva za sinteriranje
Trenutno vruće prešana SiC keramika sinterirana s BeO kao pomoćnim sredstvom za sinteriranje ima najveću toplinsku vodljivost na sobnoj temperaturi (270 W·m-1·K-1). Međutim, BeO je vrlo toksičan i kancerogen materijal te nije prikladan za široku primjenu u laboratorijima ili industrijskim područjima. Najniža eutektička točka sustava Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, što je uobičajeno sredstvo za sinteriranje SiC keramike u tekućoj fazi. Međutim, budući da se Al3+ lako otapa u SiC rešetku, kada se ovaj sustav koristi kao pomoćno sredstvo za sinteriranje, toplinska vodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi manja je od 200 W·m-1·K-1.
Elementi rijetkih zemalja kao što su Y, Sm, Sc, Gd i La nisu lako topljivi u SiC rešetki i imaju visok afinitet prema kisiku, što može učinkovito smanjiti sadržaj kisika u SiC rešetki. Stoga je sustav Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) uobičajeno sredstvo za sinteriranje za pripremu SiC keramike visoke toplinske vodljivosti (>200W·m-1·K-1). Uzimajući pomoćno sredstvo za sinteriranje sustava Y2O3-Sc2O3 kao primjer, vrijednost odstupanja iona Y3+ i Si4+ je velika, a njih dvoje ne prolaze kroz čvrstu otopinu. Topivost Sc u čistom SiC na 1800~2600 ℃ je mala, oko (2~3)×1017 atoma·cm-3.
② Visokotemperaturna toplinska obrada
Visokotemperaturna toplinska obrada SiC keramike pogoduje uklanjanju defekata rešetke, dislokacija i zaostalih naprezanja, pospješuje strukturnu transformaciju nekih amorfnih materijala u kristale i slabi učinak raspršenja fonona. Osim toga, toplinska obrada na visokoj temperaturi može učinkovito pospješiti rast SiC zrna i u konačnici poboljšati toplinska svojstva materijala. Na primjer, nakon visokotemperaturne toplinske obrade na 1950°C, koeficijent toplinske difuzije SiC keramike povećao se s 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, a toplinska vodljivost pri sobnoj temperaturi povećala se sa 180,94 W·m -1·K-1 do 192,17W·m-1·K-1. Visokotemperaturna toplinska obrada učinkovito poboljšava sposobnost deoksidacije pomoćnog sredstva za sinteriranje na SiC površini i rešetki i čini vezu između SiC zrna čvršćom. Nakon visokotemperaturne toplinske obrade, toplinska vodljivost SiC keramike na sobnoj temperaturi značajno je poboljšana.
Vrijeme objave: 24. listopada 2024