سرامیک سیلیکون کاربید: علم و مهندسی یک ماده با کارایی بالا برای آجرهای آلومینا در محیط های شدید

1. چارچوب بنیادی و چند شکلی کاربید سیلیکون

1.1 شیمی کریستال و تنوع چندتایپی

(سرامیک سیلیکون کاربید)

کاربید سیلیکون (SiC) یک محصول سرامیکی چسبنده کووالانسی است که از اتم های سیلیکون و کربن تشکیل شده است که در یک کنترل چهار وجهی تنظیم شده اند., ایجاد یک شبکه کریستالی بسیار پایدار و مستحکم.

بر خلاف بسیاری از سرامیک های معمولی, SiC انفرادی ندارد, چارچوب کریستالی متمایز; در عوض, این یک احساس چشمگیر به نام چند تایپیسم را نشان می دهد, که در آن همان ساختار شیمیایی می تواند شکل بگیرد 250 چند نوع متمایز, هر کدام در توالی انباشته شدن لایه های اتمی بسته بندی شده متفاوت است.

یکی از قابل توجه ترین پلی تایپ ها 3C-SiC است (مکعبی, چارچوب مخلوط روی), 4H-SiC, و 6H-SiC (هر دو شش ضلعی), هر کدام الکترونیکی مختلف را ارائه می دهند, حرارتی, و ساختمان های مکانیکی.

3C-SiC, بتا-SiC نیز نامیده می شود, به طور معمول در دماهای کاهش یافته تشکیل می شود و غیر پایدار است, در حالی که پلی تایپ های 4H و 6H, آلفا-SiC نامیده می شود, از نظر حرارتی بسیار پایدارتر هستند و عموماً در کاربردهای دیجیتال و دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

این تنوع ساختاری گزینه مواد هدفمند را بر اساس برنامه تعیین شده امکان پذیر می کند, چه در دستگاه های الکترونیکی قدرت باشد, ماشینکاری با سرعت بالا, یا محیط های حرارتی شدید.

1.2 کیفیت پیوند و مشخصه حاصل

استقامت SiC از پیوندهای قوی کووالانسی Si-C ناشی می شود, که از نظر طول کوتاه و بسیار جهت دار هستند, منجر به ایجاد یک شبکه سه بعدی سفت می شود.

این چیدمان پیوند خانه های مکانیکی فوق العاده ای را ارائه می دهد, از جمله استحکام بالا (معمولا 25– 30 GPa در محدوده Vickers), استقامت خمشی برجسته (به اندازه 600 MPa برای انواع متخلخل), و استحکام ترک خوب در مورد سرامیک های دیگر.

ماهیت کووالانسی همچنین به هدایت حرارتی برتر SiC می افزاید, که می تواند به 120 برسد– 490 W/m · K با تکیه بر پلی تایپ و خلوص– شبیه به برخی از فلزات و بسیار فراتر از بیشتر چینی های معماری.

علاوه بر این, SiC ضریب توسعه حرارتی پایینی را نشان می دهد, حدود 4.0– 5.6 × 10 6/ ک, که, هنگامی که با هدایت حرارتی بالا ترکیب می شود, مقاومت در برابر شوک حرارتی قابل توجهی را ارائه می دهد.

این بدان معناست که اجزای SiC می توانند تنظیمات سریع دما را بدون ترک انجام دهند, یک ویژگی مهم در کاربردهایی مانند قطعات بخاری, مبدل های گرم, و سیستم های دفاع حرارتی هوافضا.

2. استراتژی های سنتز و مدیریت برای سرامیک های کاربید سیلیکون

( سرامیک سیلیکون کاربید)

2.1 رویکردهای کلیدی تولید: از آچسون تا سنتز پیشرفته

تولید صنعتی کاربید سیلیکون به اواخر قرن نوزدهم با توسعه روش آچسون برمی گردد., یک روش کاهش کربوترمال که در آن سیلیس با خلوص بالا (SiO2) و کربن (معمولاً کک روغنی) تا دمای بالا گرم می شوند 2200 درجه سانتیگراد در یک بخاری مقاومت الکتریکی.

در حالی که این روش به طور معمول برای تولید پودر SiC خام برای ساینده ها و مواد نسوز استفاده می شود., موادی با ناخالصی و مورفولوژی ذرات ناهموار تولید می کند, محدود کردن استفاده از آن در سرامیک های با کارایی بالا.

پیشرفت های مدرن منجر به ایجاد مسیرهای سنتز جایگزین مانند رسوب بخار شیمیایی شده است (CVD), که خلوص فوق العاده بالایی ایجاد می کند, SiC تک کریستالی برای کاربردهای نیمه هادی, و سنتز با کمک لیزر یا پلاسما برای پودرهای نانومقیاس.

این تکنیک های پیچیده امکان کنترل دقیق بر استوکیومتری را فراهم می کند, بعد ذرات, و خلوص فاز, برای تطبیق SiC با نیازهای طراحی خاص مهم است.

2.2 تراکم و کنترل ریزساختاری

یکی از بهترین مشکلات در تولید پرسلن های SiC، دستیابی به چگالی کامل به دلیل پیوند کووالانسی قوی و ضرایب خود انتشار پایین است., که از پخت استاندارد جلوگیری می کنند.

برای غلبه بر این, تعدادی از استراتژی های تراکم خاص توسعه داده شده است.

پیوند واکنش مستلزم نفوذ یک پیش‌فرم کربن متخلخل با سیلیکون مذاب است, که به توسعه SiC در محل پاسخ می دهد, در نتیجه یک جزء نزدیک به شبکه با انقباض بسیار کمی ایجاد می شود.

پخت بدون فشار با گنجاندن مواد کمکی پخت مانند بور و کربن حاصل می شود, که تبلیغ دانه ها انتشار را محدود می کند و منافذ را از بین می برد.

پرس گرم و پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) فشار خارجی را در طول گرمایش اعمال کنید, امکان متراکم شدن کامل در سطوح دمایی کاهش یافته و ایجاد موادی با خواص مکانیکی مسکونی یا تجاری قابل توجه.

این رویکردهای پردازشی امکان ساخت قطعات SiC با دانه ریز را فراهم می کند, ریزساختارهای یکنواخت, برای به حداکثر رساندن قدرت مهم است, مقاومت در برابر سایش, و یکپارچگی.

3. کارایی عملی و کاربردهای چند منظوره

3.1 تاب آوری حرارتی و مکانیکی در محیط های سخت

پرسلن های کاربید سیلیکون به دلیل توانایی آنها در حفظ پایداری ساختاری در برابر گرما، به طور مشخص برای فرآیند در مشکلات شدید مطابقت دارند., مقاومت در برابر اکسیداسیون, و در برابر سایش مکانیکی مقاومت کند.

در محیط های اکسید کننده, SiC یک سیلیس ایمنی را تشکیل می دهد (SiO2) لایه روی سطح آن, که اکسیداسیون بیشتر را کاهش می دهد و امکان استفاده مداوم در سطوح دما را تا آنجا که 1600 درجه سانتیگراد.

این مقاومت در برابر اکسیداسیون, ادغام شده با مقاومت در برابر خزش بالا, SiC را برای قطعات در ژنراتورهای گازی مناسب می کند, محفظه های احتراق, و مبدل های گرم با راندمان بالا.

سختی استثنایی و مقاومت سایشی آن در کاربردهای تجاری مانند قطعات پمپ دوغاب مورد استفاده قرار می گیرد., نازل های سندبلاست, و دستگاه های برش, جایی که جایگزین های فلزی به سرعت خراب می شوند.

علاوه بر این, کاهش انبساط حرارتی SiC و هدایت حرارتی بالا آن را به محصولی توصیه شده برای آینه در تلسکوپ‌های فضایی و سیستم‌های لیزری تبدیل کرده است., که در آن امنیت ابعادی در دوچرخه‌سواری حرارتی حیاتی است.

3.2 کاربردهای برق و نیمه هادی

فراتر از کاربرد ساختاری آن, کاربید سیلیکون یک عملکرد دگرگون کننده در حوزه الکترونیک قدرت ایفا می کند.

4H-SiC, به طور خاص, دارای فاصله باند وسیعی از تقریبا 3.2 eV, اجازه می دهد دستگاه ها با ولتاژ بالاتر کار کنند, دما, و قوانین سوئیچینگ نسبت به نیمه هادی های سنتی مبتنی بر سیلیکون.

این منجر به ابزارهای برقی می شود– مانند دیودهای شاتکی, ماسفت ها, و JFET ها– با کاهش قابل توجه تلفات برق, سایز کوچکتر, و کارایی را افزایش داد, که در حال حاضر به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود, اینورترهای منابع تجدیدپذیر, و سیستم های شبکه هوشمند.

ناحیه الکتریکی با نقص بالای SiC (در مورد 10 برابر سیلیکون) اجازه می دهد تا لایه های رانش نازک تر, به حداقل رساندن مقاومت در برابر و افزایش عملکرد ابزار.

علاوه بر این, رسانایی حرارتی بالای SiC به دفع موفقیت آمیز گرم کمک می کند, به حداقل رساندن نیاز به سیستم های تهویه مطبوع بزرگ و امکان کوچکتر حتی بیشتر, قطعات الکترونیکی قابل اعتماد.

4. مرزهای بوجود آمده و مروری بر آینده در فناوری کاربید سیلیکون

4.1 ترکیب در راه حل های پیشرفته قدرت و هوافضا

انتقال مکرر به انرژی مرتب و حمل‌ونقل پرانرژی، تقاضای بی‌نظیر برای عناصر مبتنی بر SiC را افزایش می‌دهد..

در اینورترهای خورشیدی, مبدل های برق بادی, و سیستم های مدیریت باتری, ابزارهای SiC به اثربخشی تبدیل توان بالاتر می‌افزایند, کاهش مستقیم تخلیه کربن و هزینه های عملیاتی.

در هوافضا, کامپوزیت های ماتریس SiC تقویت شده با فیبر SiC (سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی سی) برای پره های توربین بادی ساخته می شوند, آسترهای احتراق, و سیستم های امنیتی حرارتی, صرفه جویی در هزینه وزن و افزایش عملکرد نسبت به سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل.

این کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی می توانند در دماهای فراتر از آن کار کنند 1200 درجه سانتیگراد, این امکان را برای موتورهای جت نسل بعدی با نسبت های رانش به وزن بیشتر و عملکرد گاز بهبود یافته ممکن می کند..

4.2 نانوتکنولوژی و کاربردهای کوانتومی

در مقیاس نانو, کاربید سیلیکون ساختمان‌های کوانتومی متمایز را نشان می‌دهد که برای فناوری‌های نسل بعدی بررسی می‌شوند.

چند نوع خاصی از منافذ سیلیکونی میزبان SiC و جاهای خالی که به عنوان مسائل چرخشی فعال عمل می کنند, به عنوان بیت کوانتومی عمل می کند (کیوبیت ها) برای رایانه های کوانتومی و برنامه های تشخیص کوانتومی.

این مشکلات را می توان به صورت نوری بوت کرد, کنترل می شود, و در دمای اتاق بررسی کنید, مزیت قابل توجهی نسبت به بسیاری از سیستم های کوانتومی دیگر که به مشکلات برودتی نیاز دارند.

علاوه بر این, نانوسیم‌ها و نانوذرات SiC برای استفاده در ابزارهای انتشار میدانی در حال بررسی هستند, فوتوکاتالیز, و تصویربرداری زیست پزشکی به دلیل نسبت تصویر بالایی که دارند, امنیت شیمیایی, و املاک مسکونی یا تجاری الکترونیکی قابل تنظیم.

همانطور که مطالعه پیشرفت می کند, جذب SiC درست در سیستم‌های کوانتومی و دستگاه‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) وعده می دهد که وظیفه خود را فراتر از حوزه های طراحی سنتی افزایش دهد.

4.3 عوامل پایداری و چرخه حیات که باید در نظر گرفته شوند

تولید SiC انرژی بر است, به ویژه در فرآیندهای سنتز و پخت در دمای بالا.

با این وجود, مزایای ماندگار عناصر SiC– مانند طول عمر طولانی, کاهش نگهداری, و کارایی سیستم را بهبود بخشید– معمولاً از تأثیر اولیه زیست محیطی فراتر می رود.

ابتکاراتی برای ایجاد مسیرهای تولید پایدارتر در حال انجام است, متشکل از تف جوشی به کمک مایکروویو, تولید مواد افزودنی (3چاپ D) از SiC, و بازیافت ضایعات SiC حاصل از پردازش ویفر نیمه هادی.

هدف این پیشرفت ها کاهش مصرف برق است, ضایعات مواد را به حداقل برسانید, و از فضای گرد اقتصادی در بخش های مواد پیشرفته حمایت می کند.

در نتیجه, ظروف چینی کاربید سیلیکون سنگ اصلی علم محصولات معاصر هستند, پر کردن شکاف بین دوام معماری و انعطاف پذیری عملی.

از فعال کردن سیستم‌های قدرت پاک‌تر گرفته تا نوآوری‌های کوانتومی, SiC همچنان مرزهای آنچه را که در طراحی و تحقیقات علمی ممکن است بازتعریف کند.

با پیشرفت تکنیک های مدیریت و ظهور برنامه های کاربردی جدید, آینده کاربید سیلیکون بسیار روشن باقی می ماند.

5. تامین کننده

Advanced Ceramics در اکتبر تاسیس شد 17, 2012, یک شرکت با فناوری بالا متعهد به تحقیق و توسعه است, تولید, پردازش, فروش و خدمات فنی مواد و محصولات نسبی سرامیک. محصولات ما شامل اما نه محدود به محصولات سرامیک کاربید بور است, محصولات سرامیکی نیترید بور, محصولات سرامیکی سیلیکون کاربید, محصولات سرامیکی سیلیکون نیترید, محصولات سرامیکی زیرکونیوم دی اکسید, و غیره. اگر علاقه مند هستید, لطفا با ما تماس بگیرید([email protected])
برچسب ها: سرامیک سیلیکون کاربید,کاربید سیلیکون,قیمت کاربید سیلیکون

همه مقالات و تصاویر از اینترنت هستند. اگر هر گونه مشکل کپی رایت وجود دارد, لطفا به موقع برای حذف با ما تماس بگیرید.

از ما پرس و جو کنید