Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա: Բարձր կատարողական նյութեր ծայրահեղ միջավայրի կիրառման համար կերամիկական առանցքակալներ

1. Սիլիցիումի կարբիդի բյուրեղային կառուցվածքը և պոլիտիպիզմը

1.1 Խորանարդ և վեցանկյուն պոլիտիպեր: 3C-ից մինչև 6H և անցյալ

(Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա)

Սիլիցիումի կարբիդ (SiC) կովալենտորեն կպչուն կերամիկա է՝ կազմված սիլիցիումի և ածխածնի ատոմներից, որոնք տեղադրված են քառանիստ սինխրոնիզացիայի մեջ, ստեղծելով նյութագիտության մեջ պոլիտիպիզմի ամենաբարդ համակարգերից մեկը.

Ի տարբերություն շատ կերամիկայի՝ միայնակ կայուն բյուրեղյա շրջանակով, SiC գոյություն ունի ավելի 250 հայտնի պոլիտիպեր– c առանցքի երկայնքով սերտ փաթեթավորված Si-C երկշերտերի հստակ կույտային հաջորդականություններ– տարբերվում է խորանարդ 3C-SiC-ից (լրացուցիչ կոչվում է β-SiC) դեպի վեցանկյուն 6H-SiC և ռոմբոեդրալ 15R-SiC.

Դիզայնի կիրառման մեջ օգտագործվող ամենատարածված պոլիտիպերից մեկը 3C-ն է (խորանարդ), 4Հ, և 6Հ (երկուսն էլ վեցանկյուն), յուրաքանչյուրը ցույց է տալիս մի փոքր տարբեր էլեկտրոնային ժապավենային կառուցվածքներ և ջերմային հաղորդակցություն.

3C-SiC, իր ցինկի խառնուրդի շրջանակով, ունի ամենացածր տիրույթը (~ 2.3 eV) և սովորաբար ընդլայնվում է կիսահաղորդչային գործիքների սիլիցիումային ենթաշերտերի վրա, մինչդեռ 4H-SiC-ն ապահովում է էլեկտրոնների զգալի ճկունություն և նախընտրելի է բարձր հզորության էլեկտրոնային սարքերի համար.

Սի-ի պինդ կովալենտային կապը և ուղղորդվածությունը– C կապը բացառիկ ամրություն է հաղորդում, ջերմային անվտանգություն, և դիմադրություն սայթաքմանը և քիմիական հարձակմանը, SiC-ը դարձնելով իդեալական էքստրեմալ միջավայրի կիրառման համար.

1.2 Հարցեր, Դոպինգ, և Digital Residence

Անկախ նրա կառուցվածքային խճճվածությունից, SiC-ը կարող է դոպինգավորվել և՛ n-տիպի, և՛ p-տիպի հաղորդունակություն ձեռք բերելու համար, թույլ տալով դրա օգտագործումը կիսահաղորդչային սարքերում.

Ազոտը և ֆոսֆորը ծառայում են որպես աղտոտող նյութեր, էլեկտրոնների ներմուծում անմիջապես փոխանցման գոտու մեջ, մինչդեռ թեթև քաշով ալյումինը և բորը աշխատում են որպես ընդունիչներ, առաջացնելով անցքեր վալենտական ​​գոտում.

Այնուամենայնիվ, p-տիպի դոպինգի արդյունավետությունը սահմանափակված է բարձր ակտիվացման հզորությամբ, հատկապես 4H-SiC-ում, որը խոչընդոտներ է ստեղծում երկբևեռ գործիքների դասավորության համար.

Բնական թերություններ, ինչպիսիք են պտուտակների սխալ տեղադրումը, միկրոխողովակներ, և կույտերի սխալները կարող են թուլացնել գործիքի աշխատանքը՝ հանդես գալով որպես ռեկոմբինացիոն հարմարանքներ կամ արտահոսքի կուրսեր, պահանջելով բարձր մակարդակի մեկ բյուրեղյա մշակում էլեկտրոնային հավելվածների համար.

Հսկայական ավազակ (2.3– 3.3 eV կախված պոլիտիպից), բարձր ձախողման էլեկտրական տարածք (~ 3 ՄՎ/սմ), և գերազանց ջերմային հաղորդունակություն (~ 3– 4 W/m · K 4H-SiC-ի համար) SiC-ը բարձր ջերմաստիճանում շատ ավելի գերազանցում է սիլիցիումին, բարձր լարման, և բարձր հաճախականության էներգիայի էլեկտրոնիկա.

2. Բեռնաթափման և միկրոկառուցվածքային նախագծում

( Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա)

2.1 Պղտորման և խտացման տեխնիկա

Սիլիցիումի կարբիդը, բնականաբար, դժվար է խտանալ՝ շնորհիվ իր ուժեղ կովալենտային կապի և ինքնադիֆուզիայի նվազեցված գործակիցների։, վերամշակման նորարարական տեխնիկայի կարիք՝ առանց հավելումների կամ սինթրման շատ քիչ օգնությամբ լիարժեք խտության հասնելու համար.

Ենթամիկրոն SiC փոշիների առանց ճնշման սինթինգը հնարավոր է բորի և ածխածնի ուժեղացմամբ, որոնք նպաստում են խտացմանը՝ վերացնելով օքսիդային շերտերը և ուժեղացնելով պինդ վիճակում դիֆուզիան.

Ջերմ հրումը տան ջեռուցման ժամանակ միակողմանի ճնշում է գործադրում, թույլ տալով լիարժեք խտացում իջեցված ջերմաստիճանի մակարդակներում (~ 1800 թ– 2000 ° C )և առաջացնելով մանրահատիկ, բարձր ամրության բաղադրիչներ, որոնք իդեալական են սարքերը կրճատելու և մասերի վրա դնելու համար.

Մեծ կամ բարդ ձևերի համար, օգտագործվում է պատասխան կապ, որտեղ ծակոտկեն ածխածնի նախածանցերը ներթափանցվում են հալած սիլիցիումով ժամը ~ 1600 ° C, ստեղծելով β-SiC in situ մարգինալ նեղացումով.

Այնուամենայնիվ, մնացորդային անվճար սիլիցիում (~ 5– 10%) մնում է միկրոկառուցվածքում, սահմանափակելով բարձր ջերմաստիճանի արդյունավետությունը և օքսիդացման դիմադրությունը վերևում 1300 ° C.

2.2 Հավելանյութերի արտադրություն և մոտ ցանցի ձևի արտադրություն

Ներկայիս առաջընթացը հավելումների արտադրության մեջ (AM), հատուկ կապող շիթավորում և ստերեոլիթոգրաֆիա՝ օգտագործելով SiC փոշի կամ նախակերամիկական պոլիմերներ, թույլ են տալիս ստեղծել բարդ երկրաչափություններ, որոնք նախկինում անհասանելի էին սովորական մոտեցումներով.

Պոլիմերից ստացված կերամիկայի մեջ (PDC) երթուղիներ, հեղուկ SiC-ի նախորդները ձևավորվում են 3D տպագրության միջոցով և այնուհետև պիրոլիզվում են ջերմության ժամանակ՝ արտադրելով ամորֆ կամ նանաբյուրեղային SiC:, սովորաբար ավելի խտացման կարիք ունի.

Այս տեխնիկան իջեցնում է հաստոցների գները և արտադրանքի թափոնները, SiC-ն ավելի հասանելի դարձնելով օդատիեզերական ոլորտում, միջուկային, և ջերմափոխանակիչի հավելվածներ, որտեղ բարդ դասավորությունները բարձրացնում են արդյունավետությունը.

Հետմշակման գործողություններ, ինչպիսիք են քիմիական գոլորշիների ներթափանցումը (CVI) կամ հեղուկ սիլիցիումի արտահոսք (LSI) երբեմն օգտագործվում են խտությունը և մեխանիկական կայունությունը բարելավելու համար.

3. Մեխանիկական, Ջերմային, և շրջակա միջավայրի արդյունավետություն

3.1 Ուժ, Կարծրություն, և Օգտագործեք դիմադրություն

Սիլիցիումի կարբիդը դասվում է ամենադժվար ճանաչված արտադրանքի շարքում, with a Mohs solidity of ~ 9.5 իսկ Vickers ամրությունը գերազանցում է 25 Միջին գնահատականը, դարձնելով այն բարձր իմունիտետ քայքայումից, քայքայումը, և քերել.

Նրա ճկման ուժը հիմնականում տատանվում է 300 դեպի 600 ՄՊա, հենվելով մշակման մոտեցման և հացահատիկի չափի վրա, և այն պահպանում է ամրությունը մինչև ջերմաստիճանի դեպքում 1400 ° C իներտ միջավայրում.

Կոտրվածքի ուժը, մինչդեռ համեստ (~ 3– 4 MPa · m 1ST/ TWO), բավարար է բազմաթիվ ճարտարապետական ​​կիրառությունների համար, հատկապես, երբ ինտեգրված է մանրաթելային աջակցությամբ կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտներում (CMC-ներ).

SiC-ի վրա հիմնված CMC-ները օգտագործվում են տուրբինի շեղբերներում, այրիչի երեսպատումներ, և արգելակային համակարգեր, որտեղ նրանք ապահովում են քաշի ծախսերի խնայողություն, գազի արդյունավետությունը, և երկարատև ծառայության ժամկետը մետաղական համարժեքների նկատմամբ.

Նրա բացառիկ մաշվածության դիմադրությունը SiC-ին դարձնում է կատարյալ կնիքների համար, առանցքակալներ, պոմպի տարրեր, և բալիստիկ վահան, որտեղ ամրությունը ծայրահեղ մեխանիկական ծանրաբեռնվածության պայմաններում չափազանց կարևոր է.

3.2 Ջերմային հաղորդունակություն և օքսիդացման անվտանգություն

SiC-ի ամենաօգտակար բնակելի կամ առևտրային հատկություններից մեկը նրա բարձր ջերմային հաղորդունակությունն է– մոտավորապես 490 W/m · K մեկ բյուրեղյա 4H-SiC և ~ 30– 120 W/m · K բազմաբյուրեղ տեսակների համար– դուրս գալով շատ մետաղներից և հնարավոր դարձնելով ջերմության արդյունավետ ցրումը.

Այս բնակելի գույքը կարևոր նշանակություն ունի ուժային էլեկտրոնիկայի մեջ, որտեղ SiC սարքերը արտադրում են շատ ավելի քիչ թափոնային ջերմություն և կարող են աշխատել ավելի մեծ էներգիայի խտությամբ, քան սիլիցիումի վրա հիմնված գաջեթները.

Օքսիդացնող միջավայրերում ջերմաստիճանի բարձր մակարդակներում, SiC-ն ստեղծում է պաշտպանիչ սիլիցիում (SiO 2) շերտ, որը նվազեցնում է լրացուցիչ օքսիդացումը, առաջարկելով լավ էկոլոգիական ամրություն այնքան, որքան ~ 1600 ° C.

Այնուամենայնիվ, ջրային գոլորշիներով հարուստ մթնոլորտներում, այս շերտը կարող է ցնդել որպես Si(Օհ)₄, ինչը հանգեցնում է արագացված դեգրադացիայի– հիմնական մարտահրավեր գազատուրբինային կիրառություններում.

4. Ընդլայնված կիրառություններ էներգետիկայում, Էլեկտրոնային սարքեր, և Աերոտիեզերք

4.1 Էլեկտրոնային էլեկտրական սարքեր և կիսահաղորդչային հարմարանքներ

Սիլիցիումի կարբիդը փոխակերպել է ուժային էլեկտրոնիկան՝ հնարավոր դարձնելով այնպիսի գաջեթներ, ինչպիսիք են Schottky դիոդները, MOSFET-ներ, և JFET-ներ, որոնք աշխատում են ավելի բարձր լարման դեպքում, հաճախականություններ, և ջերմաստիճանը, քան սիլիցիումի համընկնումները.

Այս գործիքները նվազեցնում են էներգիայի կորուստները էլեկտրական մեքենաներում, վերականգնվող էներգիայի ինվերտորներ, և առևտրային էլեկտրական շարժիչներ, ավելացնելով էներգաարդյունավետության համաշխարհային բարելավումները.

Միացման ջերմաստիճանի մակարդակներում աշխատելու ունակություն 200 ° C-ը թույլ է տալիս պարզեցնել հովացման համակարգերը և բարձրացնել համակարգի հուսալիությունը.

Ավելին, SiC վաֆլիները օգտագործվում են որպես գալիումի նիտրիդի ենթաշերտեր (GaN) էպիտաքսիա բարձր էլեկտրոնային շարժունակությամբ տրանզիստորներում (ՀԵՄՏ-ներ), ինտեգրելով երկու լայնաշերտ կիսահաղորդիչների առավելությունները.

4.2 Միջուկային, Ավիատիեզերք, և օպտիկական սարքավորումներ

Ատոմային էլեկտրակայաններում, SiC-ը դժբախտ պատահարների դիմացկուն վառելիքի ծածկույթի հիմնական տարրն է, որտեղ նրա կրճատված նեյտրոնների կլանման խաչմերուկը, ճառագայթման դիմադրություն, և բարձր ջերմաստիճանի դիմացկունությունը բարելավում են անվտանգությունն ու անվտանգությունը և արդյունավետությունը.

Ավիատիեզերքում, SiC մանրաթելերով ամրացված կոմպոզիտները օգտագործվում են ռեակտիվ շարժիչներում և հիպերձայնային մեքենաներում՝ իրենց թեթև և ջերմային կայունության համար։.

Ավելին, գերհարթ SiC հայելիները օգտագործվում են աստղադիտակներին նախորդող՝ իրենց կոշտության և խտության բարձր հարաբերակցության արդյունքում, ջերմային կայունություն, և փայլեցվածություն մինչև ենթանանոմետրային կոպտություն.

Ամփոփելով, Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկան հանդիսանում է ժամանակակից առաջադեմ նյութերի հիմնաքար, համատեղելով ակնառու մեխանիկական, ջերմային, և թվային հատկություններ.

Պոլիտիպի հատուկ հսկողությամբ, միկրոկառուցվածք, և բեռնաթափում, SiC-ը մնում է հնարավորություն ընձեռել տեխնոլոգիական նորարարություններին իշխանության մեջ, տրանսպորտ, և ծայրահեղ տեղադրման ճարտարագիտություն.

5. Մատակարար

TRUNNANO-ն գնդաձև վոլֆրամի փոշի մատակարար է 12 Նանո-շենքերի էներգիայի պահպանման և նանոտեխնոլոգիայի զարգացման տարիների փորձ. Այն ընդունում է վճարումը կրեդիտ քարտի միջոցով, Տ/Տ, West Union և Paypal. Trunnano-ն ապրանքները կուղարկի արտասահմանյան հաճախորդներին FedEx-ի միջոցով, DHL, օդային ճանապարհով, կամ ծովով. Եթե ​​ցանկանում եք ավելին իմանալ գնդաձև վոլֆրամի փոշիի մասին, խնդրում ենք ազատ զգալ կապվել մեզ հետ և հարցում ուղարկել([email protected]).
Պիտակներ: սիլիցիումի կարբիդ կերամիկա,սիլիցիումի կարբիդ կերամիկական արտադրանք, արդյունաբերության կերամիկա

Բոլոր հոդվածները և նկարները համացանցից են. Եթե ​​կան հեղինակային իրավունքի հետ կապված խնդիրներ, խնդրում ենք ժամանակին կապվել մեզ հետ ջնջելու համար.

Հարցրեք մեզ