trenutno,silicijev karbid (SiC)je toplotno prevoden keramični material, ki ga aktivno proučujejo doma in v tujini. Teoretična toplotna prevodnost SiC je zelo visoka, nekatere kristalne oblike lahko dosežejo 270 W/mK, kar je že vodilno med neprevodnimi materiali. Na primer, uporabo toplotne prevodnosti SiC je mogoče videti v substratnih materialih polprevodniških naprav, keramičnih materialih z visoko toplotno prevodnostjo, grelnikih in grelnih ploščah za obdelavo polprevodnikov, materialih za kapsule za jedrsko gorivo in plinskih tesnilnih obročih za kompresorske črpalke.
Uporabasilicijev karbidna področju polprevodnikov
Brusilne plošče in vpenjala so pomembna procesna oprema za proizvodnjo silicijevih rezin v industriji polprevodnikov. Če je brusilni disk izdelan iz litega železa ali ogljikovega jekla, je njegova življenjska doba kratka in koeficient toplotnega raztezanja velik. Med obdelavo silicijevih rezin, zlasti med hitrim brušenjem ali poliranjem, je zaradi obrabe in toplotne deformacije brusilne plošče težko zagotoviti ravnost in vzporednost silicijeve rezine. Brusilni disk izsilicijeva karbidna keramikaima majhno obrabo zaradi visoke trdote, njegov koeficient toplotnega raztezanja pa je v bistvu enak koeficientu silicijevih rezin, zato ga je mogoče brusiti in polirati pri visoki hitrosti.
Poleg tega morajo biti silicijeve rezine pri izdelavi podvržene visokotemperaturni toplotni obdelavi in se pogosto prevažajo z vpenjali iz silicijevega karbida. So toplotno odporni in nedestruktivni. Diamantu podoben ogljik (DLC) in druge prevleke je mogoče nanesti na površino, da izboljšate zmogljivost, ublažite poškodbe rezin in preprečite širjenje kontaminacije.
Poleg tega imajo enokristalni materiali iz silicijevega karbida kot predstavnik polprevodniških materialov s široko pasovno vrzeljo tretje generacije lastnosti, kot so široka pasovna širina (približno 3-krat večja od Si), visoka toplotna prevodnost (približno 3,3-krat večja od Si ali 10-krat kot pri GaAs), visoka stopnja migracije nasičenosti elektronov (približno 2,5-krat večja od Si) in visoko prebojno električno polje (približno 10 krat več kot Si ali 5-krat več kot GaAs). Naprave SiC nadomeščajo pomanjkljivosti tradicionalnih naprav iz polprevodniškega materiala v praktičnih aplikacijah in postopoma postajajo glavni tok močnostnih polprevodnikov.
Povpraševanje po keramiki iz silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo se je dramatično povečalo
Z nenehnim razvojem znanosti in tehnologije se je povpraševanje po uporabi keramike iz silicijevega karbida na področju polprevodnikov dramatično povečalo, visoka toplotna prevodnost pa je ključni pokazatelj za njeno uporabo v komponentah opreme za proizvodnjo polprevodnikov. Zato je ključnega pomena okrepiti raziskave keramike iz silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo. Zmanjšanje vsebnosti kisika v rešetki, izboljšanje gostote in razumno uravnavanje porazdelitve druge faze v rešetki so glavne metode za izboljšanje toplotne prevodnosti keramike iz silicijevega karbida.
Trenutno je v moji državi malo študij o keramiki iz silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo in še vedno obstaja velika vrzel v primerjavi s svetovno ravnjo. Prihodnje smeri raziskav vključujejo:
● Okrepite raziskave postopka priprave keramičnega prahu iz silicijevega karbida. Priprava prahu silicijevega karbida visoke čistosti z nizko vsebnostjo kisika je osnova za pripravo keramike iz silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo;
● Okrepiti izbor pripomočkov za sintranje in s tem povezane teoretične raziskave;
● Okrepiti raziskave in razvoj vrhunske opreme za sintranje. Z uravnavanjem procesa sintranja za pridobitev primerne mikrostrukture je nujen pogoj za pridobitev keramike iz silicijevega karbida z visoko toplotno prevodnostjo.
Ukrepi za izboljšanje toplotne prevodnosti keramike iz silicijevega karbida
Ključ do izboljšanja toplotne prevodnosti SiC keramike je zmanjšanje frekvence sipanja fononov in povečanje povprečne proste poti fononov. Toplotna prevodnost SiC bo učinkovito izboljšana z zmanjšanjem poroznosti in gostote meja zrn SiC keramike, izboljšanjem čistosti meja zrn SiC, zmanjšanjem nečistoč ali napak v mreži SiC in povečanjem nosilca prenosa toplotnega toka v SiC. Trenutno so glavni ukrepi za izboljšanje toplotne prevodnosti SiC keramike optimizacija vrste in vsebnosti sintrnih sredstev ter visokotemperaturna toplotna obdelava.
① Optimiziranje vrste in vsebine sintrnih pripomočkov
Pri pripravi SiC keramike z visoko toplotno prevodnostjo se pogosto dodajajo različna sredstva za sintranje. Med njimi imata vrsta in vsebnost sintrnih sredstev velik vpliv na toplotno prevodnost SiC keramike. Na primer, elementi Al ali O v pripomočkih za sintranje sistema Al2O3 se zlahka raztopijo v mreži SiC, kar povzroči prazna mesta in napake, kar povzroči povečanje frekvence sipanja fononov. Poleg tega, če je vsebnost sintrnih sredstev nizka, je material težko sintrati in zgostiti, medtem ko bo visoka vsebnost sintrnih sredstev povzročila povečanje nečistoč in napak. Prekomerna sredstva za sintranje v tekoči fazi lahko tudi zavirajo rast zrn SiC in zmanjšajo srednjo prosto pot fononov. Zato je treba za pripravo keramike SiC z visoko toplotno prevodnostjo čim bolj zmanjšati vsebnost sintrnih dodatkov ob izpolnjevanju zahtev glede gostote sintranja in poskusiti izbrati sintralna sredstva, ki se težko raztopijo v mreži SiC.
*Toplotne lastnosti SiC keramike, ko so dodana različna sredstva za sintranje
Trenutno ima vroče stiskana SiC keramika, sintrana z BeO kot pomožnim sredstvom za sintranje, največjo toplotno prevodnost pri sobni temperaturi (270 W·m-1·K-1). Vendar je BeO zelo strupen in rakotvoren material in ni primeren za široko uporabo v laboratorijih ali na industrijskih področjih. Najnižja evtektična točka sistema Y2O3-Al2O3 je 1760 ℃, kar je običajno sredstvo za sintranje SiC keramike v tekoči fazi. Ker pa se Al3+ zlahka raztopi v mreži SiC, je toplotna prevodnost SiC keramike pri sobni temperaturi manjša od 200 W·m-1·K-1, ko se ta sistem uporablja kot pomoč pri sintranju.
Elementi redkih zemelj, kot so Y, Sm, Sc, Gd in La, niso zlahka topni v rešetki SiC in imajo visoko afiniteto do kisika, kar lahko učinkovito zmanjša vsebnost kisika v mreži SiC. Zato je sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) običajna pomoč pri sintranju za pripravo SiC keramike z visoko toplotno prevodnostjo (>200 W·m-1·K-1). Če za primer vzamemo pomoč pri sintranju sistema Y2O3-Sc2O3, je vrednost ionskega odstopanja Y3+ in Si4+ velika in se ne raztopita v trdni raztopini. Topnost Sc v čistem SiC pri 1800 ~ 2600 ℃ je majhna, približno (2 ~ 3) × 1017 atomov · cm-3.
② Visokotemperaturna toplotna obdelava
Visokotemperaturna toplotna obdelava SiC keramike je ugodna za odpravo mrežnih napak, dislokacij in preostalih napetosti, spodbujanje strukturne transformacije nekaterih amorfnih materialov v kristale in oslabi učinek sipanja fononov. Poleg tega lahko visokotemperaturna toplotna obdelava učinkovito spodbuja rast zrn SiC in na koncu izboljša toplotne lastnosti materiala. Na primer, po visokotemperaturni toplotni obdelavi pri 1950 °C se je koeficient toplotne difuzije SiC keramike povečal s 83,03 mm2·s-1 na 89,50 mm2·s-1, toplotna prevodnost pri sobni temperaturi pa se je povečala s 180,94 W·m. -1·K-1 do 192,17 W·m-1·K-1. Visokotemperaturna toplotna obdelava učinkovito izboljša sposobnost deoksidacije sintrnega sredstva na površini in rešetki SiC ter naredi povezavo med zrni SiC tesnejšo. Po visokotemperaturni toplotni obdelavi se je toplotna prevodnost SiC keramike pri sobni temperaturi znatno izboljšala.
Čas objave: 24. oktober 2024