тренутно,силицијум карбид (СиЦ)је топлотно проводљив керамички материјал који се активно проучава у земљи и иностранству. Теоријска топлотна проводљивост СиЦ је веома висока, а неки кристални облици могу достићи 270В/мК, што је већ лидер међу непроводним материјалима. На пример, примена топлотне проводљивости СиЦ може се видети у материјалима супстрата полупроводничких уређаја, керамичким материјалима високе топлотне проводљивости, грејачима и грејним плочама за обраду полупроводника, материјалима капсула за нуклеарно гориво и гасним заптивним прстеновима за компресорске пумпе.
Примена одсилицијум карбидау пољу полупроводника
Брусни дискови и прибор су важна процесна опрема за производњу силицијумских плочица у индустрији полупроводника. Ако је брусни диск направљен од ливеног гвожђа или угљеничног челика, његов радни век је кратак, а коефицијент топлотног ширења је 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. Диск за млевење направљен одкерамика од силицијум карбидаима мало хабања због своје велике тврдоће, а коефицијент термичког ширења је у основи исти као код силицијумских плочица, тако да се може брусити и полирати великом брзином.
Поред тога, када се производе силицијумске плочице, оне морају да се подвргну топлотној обради на високим температурама и често се транспортују помоћу силицијум карбидних учвршћења. Отпорне су на топлоту и не деструктивне. Дијамантски угљеник (ДЛЦ) и други премази могу се нанети на површину да би се побољшале перформансе, ублажила оштећења плочице и спречила ширење контаминације.
Штавише, као представник треће генерације широкопојасних полупроводничких материјала, монокристални материјали од силицијум карбида имају својства као што су велика ширина појасног размака (око 3 пута већа од Си), висока топлотна проводљивост (око 3,3 пута већа од Си или 10 пута ГаАс), висока стопа миграције засићења електрона (око 2,5 пута већа од Си) и високо електрично поље пробоја (око 10 пута више од Си или 5 пута више од ГаАс). СиЦ уређаји надокнађују недостатке традиционалних уређаја од полупроводничког материјала у практичним применама и постепено постају главна струја енергетских полупроводника.
Потражња за керамиком од силицијум карбида високе топлотне проводљивости драматично се повећала
Са континуираним развојем науке и технологије, потражња за применом керамике од силицијум карбида у области полупроводника је драматично порасла, а висока топлотна проводљивост је кључни индикатор за њену примену у компонентама опреме за производњу полупроводника. Због тога је кључно појачати истраживања силицијум карбидне керамике високе топлотне проводљивости. Смањење садржаја кисеоника у решетки, побољшање густине и разумно регулисање дистрибуције друге фазе у решетки су главне методе за побољшање топлотне проводљивости керамике од силицијум карбида.
Тренутно постоји неколико студија о високој топлотној проводљивости силицијум карбидне керамике у мојој земљи, а 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 силицијум карбидне керамике високе топлотне проводљивости;
● Ојачати избор помагала 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 СиЦ керамике је смањење фреквенције расејања фонона и повећање средњег слободног пута фонона. Топлотна проводљивост СиЦ ће бити ефикасно побољшана смањењем порозности и густине граница зрна СиЦ керамике, побољшањем чистоће граница зрна СиЦ, смањењем нечистоћа СиЦ решетке или дефеката решетке и повећањем носиоца преноса топлотног тока у СиЦ. Тренутно, оптимизација врсте и садржаја помагала за синтеровање и топлотна обрада на високим температурама су главне мере за побољшање топлотне проводљивости СиЦ керамике.
① Оптимизација врсте и садржаја помагала за синтеровање
Различита помоћна средства за синтеровање се често додају када се припрема СиЦ керамика високе топлотне проводљивости. Међу њима, врста и садржај помагала за синтеровање имају велики утицај на топлотну проводљивост СиЦ керамике. На пример, Ал или О елементи у Ал2О3 систему помоћних средстава за синтеровање се лако растварају у СиЦ решетки, што доводи до празнина и дефеката, што доводи до повећања фреквенције расејања фонона. Осим тога, ако је садржај помоћних средстава за синтеровање низак, материјал се тешко синтерује и згушњава, док ће висок садржај помоћних средстава за синтеровање довести до повећања нечистоћа и дефеката. Прекомерна помоћна средства за синтеровање у течној фази могу такође инхибирати раст зрна СиЦ и смањити средњи слободни пут фонона. Због тога, да би се припремила СиЦ керамика високе топлотне проводљивости, потребно је што је могуће више смањити садржај помоћних средстава за синтеровање уз испуњавање захтева за густином синтеровања и покушати одабрати помоћна средства за синтеровање која се тешко растварају у СиЦ решетки.
*Термичка својства СиЦ керамике када се додају различита помоћна средства за синтеровање
Тренутно топло пресована СиЦ керамика синтерована са БеО као помоћним средством за синтеровање има максималну топлотну проводљивост на собној температури (270В·м-1·К-1). Међутим, БеО је високо токсичан материјал и канцероген и није погодан за широку примену у лабораторијама или индустријским пољима. Најнижа еутектичка тачка система И2О3-Ал2О3 је 1760 ℃, што је уобичајено средство за синтеровање у течној фази за СиЦ керамику. Међутим, пошто се Ал3+ лако раствара у СиЦ решетки, када се овај систем користи као помоћно средство за синтеровање, топлотна проводљивост СиЦ керамике на собној температури је мања од 200В·м-1·К-1.
Елементи ретких земаља као што су И, См, Сц, Гд и Ла нису лако растворљиви у СиЦ решетки и имају висок афинитет за кисеоник, што може ефикасно смањити садржај кисеоника у СиЦ решетки. Стога је систем И2О3-РЕ2О3 (РЕ=См, Сц, Гд, Ла) уобичајена помоћ за синтеровање за припрему СиЦ керамике високе топлотне проводљивости (>200В·м-1·К-1). Узимајући као пример помоћно средство за синтеровање система И2О3-Сц2О3, вредност девијације јона И3+ и Си4+ је велика, а ова два не пролазе кроз чврсти раствор. Растворљивост Сц у чистом СиЦ на 1800~2600℃ је мала, око (2~3)×1017 атома·цм-3.
② Термичка обрада на високој температури
Високотемпературна топлотна обрада СиЦ керамике погодује елиминисању дефеката решетке, дислокација и заосталих напона, промовише структурну трансформацију неких аморфних материјала у кристале и слаби ефекат расејања фонона. Поред тога, топлотна обрада на високој температури може ефикасно да подстакне раст зрна СиЦ и на крају побољша термичка својства материјала. На пример, након топлотне обраде на високој температури на 1950°Ц, коефицијент топлотне дифузије СиЦ керамике се повећао са 83,03мм2·с-1 на 89,50мм2·с-1, а топлотна проводљивост на собној температури се повећала са 180,94В·м. -1·К-1 до 192,17В·м-1·К-1. Термичка обрада на високој температури ефикасно побољшава способност деоксидације помоћног средства за синтеровање на површини и решетки СиЦ и чини везу између зрна СиЦ чвршћом. После високотемпературне топлотне обраде, топлотна проводљивост СиЦ керамике на собној температури је значајно побољшана.
Време поста: 24.10.2024