Во моментов,силициум карбид (SiC)е термички спроводлив керамички материјал кој активно се проучува дома и во странство. Теоретската топлинска спроводливост на SiC е многу висока, а некои кристални форми можат да достигнат 270 W/mK, што е веќе лидер меѓу непроводливите материјали. На пример, примената на топлинската спроводливост на SiC може да се види во материјалите на подлогата на полупроводничките уреди, керамичките материјали со висока топлинска спроводливост, грејачите и грејните плочи за полупроводничка обработка, материјалите за капсули за нуклеарно гориво и прстените за запечатување гас за компресорските пумпи.
Примена насилициум карбидво полето на полупроводници
Мелење дискови и тела се важна процесна опрема за производство на силиконски нафора во индустријата за полупроводници. Ако дискот за мелење е направен од леано железо или јаглероден челик, неговиот животен век е краток, а коефициентот на термичка експанзија е голем. За време на обработката на силиконските наполитанки, особено при брусење или полирање со голема брзина, поради абењето и термичката деформација на дискот за мелење, тешко е да се гарантира плошноста и паралелизмот на силиконската обланда. Дискот за мелење направен одсилициум карбид керамикаима мало абење поради неговата висока цврстина, а коефициентот на термичка експанзија е во основа ист како оној на силиконските наполитанки, така што може да се меле и полира со голема брзина.
Покрај тоа, кога се произведуваат силиконски наполитанки, тие треба да се подложат на термичка обработка на висока температура и често се транспортираат со помош на силициум карбид тела. Тие се отпорни на топлина и не деструктивни. Јаглеродот сличен на дијамант (DLC) и други облоги може да се нанесат на површината за да се подобрат перформансите, да се олесни оштетувањето на обландите и да се спречи ширење на контаминација.
Понатаму, како претставник на третата генерација полупроводнички материјали со широк појас, еднокристалните материјали од силициум карбид имаат својства како што се голема ширина на бендот (околу 3 пати поголема од Si), висока топлинска спроводливост (околу 3,3 пати поголема од Si или 10 пати онаа на GaAs), висока стапка на миграција на сатурација на електрони (околу 2,5 пати поголема од онаа на Si) и високо електрично поле на распаѓање (околу 10 пати поголема од онаа на Si или 5 пати поголема од онаа на GaAs). SiC уредите ги надоместуваат дефектите на традиционалните уреди со полупроводнички материјали во практична примена и постепено стануваат главен тек на енергетските полупроводници.
Побарувачката за силициум карбид керамика со висока топлинска спроводливост драстично се зголеми
Со континуираниот развој на науката и технологијата, побарувачката за примена на силициум карбид керамика во полето на полупроводници драстично се зголеми, а високата топлинска спроводливост е клучен индикатор за нејзината примена во компонентите на опремата за производство на полупроводници. Затоа, од клучно значење е да се зајакне истражувањето за керамика со силициум карбид со висока топлинска спроводливост. Намалување на содржината на кислород во решетката, подобрување на густината и разумно регулирање на дистрибуцијата на втората фаза во решетката се главните методи за подобрување на топлинската спроводливост на керамиката со силициум карбид.
Во моментов, има малку студии за силициум карбид керамика со висока топлинска спроводливост во мојата земја, и сè уште постои голем јаз во споредба со светското ниво. Идните истражувачки насоки вклучуваат:
lЗајакнување на процесот на подготовка на истражување на силициум карбид керамички прав. Подготовката на прашок од силициум карбид со висока чистота, ниско-кислород е основа за подготовка на керамика со силициум карбид со висока топлинска спроводливост;
● Зајакнување на изборот на помагала за синтерување и поврзаните теоретски истражувања;
lЗајакнување на истражувањето и развојот на опремата за синтерување со висока класа. Со регулирање на процесот на синтерување за да се добие разумна микроструктура, неопходен услов е да се добие керамика со силициум карбид со висока топлинска спроводливост.
Мерки за подобрување на топлинската спроводливост на керамиката со силициум карбид
Клучот за подобрување на топлинската спроводливост на SiC керамиката е да се намали фреквенцијата на расејување на фононот и да се зголеми просечниот слободен пат на фононот. Топлинската спроводливост на SiC ќе биде ефикасно подобрена со намалување на порозноста и граничната густина на зрната на SiC керамиката, подобрување на чистотата на границите на зрната SiC, намалување на нечистотиите на решетката или дефектите на решетката SiC и зголемување на носачот на пренос на проток на топлина во SiC. Во моментов, оптимизирањето на видот и содржината на помагалата за синтерување и високотемпературната термичка обработка се главните мерки за подобрување на топлинската спроводливост на керамиката SiC.
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, елементите Al или O во помагалата за синтерување на системот Al2O3 лесно се раствораат во SiC решетката, што резултира со празни места и дефекти, што доведува до зголемување на фреквенцијата на расејување на фононот. Дополнително, ако содржината на средствата за синтерување е ниска, материјалот е тешко да се синтерува и згуснува, додека високата содржина на средства 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 зрната SiC и да ја намалат просечната слободна патека на фононите. Затоа, за да се подготви SiC керамика со висока топлинска спроводливост, потребно е колку што е можно повеќе да се намали содржината на средствата за синтерување при исполнување на барањата за густина на синтерување и да се обиде да избере средства за синтерување кои тешко се раствораат во решетката SiC.
*Термички својства на SiC керамиката кога се додаваат различни средства за синтерување
Во моментов, топло цедената SiC керамика синтерувана со BeO како средство за синтерување има максимална топлинска спроводливост на собна температура (270W·m-1·K-1). Сепак, BeO е високо 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 помошно средство за синтерување, топлинската спроводливост на собна температура на SiC керамиката е помала од 200W·m-1·K-1.
Ретките земјени елементи како Y, Sm, Sc, Gd и La не се лесно растворливи во SiC решетки и имаат висок афинитет на кислород, што може ефикасно да ја намали содржината на кислород во решетката SiC. Затоа, системот Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) е вообичаено помагало за синтерување за подготовка на SiC керамика со висока топлинска спроводливост (>200W·m-1·K-1). Земајќи го како пример помагалото за синтерување на системот Y2O3-Sc2O3, вредноста на јонското отстапување на Y3+ и Si4+ е голема, а двете не се подложени на цврст раствор. Растворливоста на Sc во чист SiC на 1800~2600℃ е мала, околу (2~3)×1017 атоми·cm-3.
② Термичка обработка на висока температура
Високотемпературната термичка обработка на керамиката SiC придонесува за елиминирање на дефектите на решетката, дислокациите и резидуалните напрегања, промовирајќи ја структурната трансформација на некои аморфни материјали во кристали и слабеење на ефектот на расејување на фононот. Покрај тоа, термичката обработка со висока температура може ефикасно да го промовира растот на зрната SiC и на крајот да ги подобри термичките својства на материјалот. На пример, по термичка обработка на висока температура на 1950°C, коефициентот на термичка дифузија на SiC керамиката се зголеми од 83,03mm2·s-1 на 89,50mm2·s-1, а топлинската спроводливост на собна температура се зголеми од 180,94W·m -1·K-1 до 192,17W·m-1·K-1. Термичката обработка со висока температура ефикасно ја подобрува способноста за деоксидација на помошта за синтерување на површината и решетката на SiC и ја прави врската помеѓу зрната SiC поцврста. По термичка обработка со висока температура, топлинската спроводливост на SiC керамиката на собна температура е значително подобрена.
Време на објавување: Октомври-24-2024 година