Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա: Ծայրահեղ միջավայրերի համար բարձրորակ նյութի գիտություն և ճարտարագիտություն ալյումինե աղյուսների համար

1. Սիլիցիումի կարբիդի հիմնարար շրջանակը և պոլիմորֆիզմը

1.1 Բյուրեղային քիմիա և պոլիտիպային բազմազանություն

(Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա)

Սիլիցիումի կարբիդ (SiC) կովալենտորեն կպչուն կերամիկական արտադրանք է, որը կազմված է սիլիցիումի և ածխածնի ատոմներից, որոնք տեղադրված են քառաեզրական հսկողության մեջ, զարգացնում է բարձր կայուն և ամուր բյուրեղյա ցանց.

Ի տարբերություն շատ սովորական կերամիկայի, SiC-ը միայնակ չունի, հստակ բյուրեղյա շրջանակ; փոխարենը, այն ցուցադրում է տպավորիչ սենսացիա, որը հայտնի է որպես պոլիտիպիզմ, որտեղ նույն քիմիական կառուցվածքը կարող է ձևավորվել 250 հստակ բազմատեսակներ, յուրաքանչյուրը տատանվում է սերտ փաթեթավորված ատոմային շերտերի կուտակման հաջորդականությամբ.

Տեխնոլոգիապես ամենակարևոր բազմատեսակներից մեկը 3C-SiC-ն է (խորանարդ, ցինկի խառնուրդի շրջանակ), 4H-SiC, և 6H-SiC (երկուսն էլ վեցանկյուն), յուրաքանչյուրն առաջարկում է տարբեր էլեկտրոնային, ջերմային, և մեխանիկական շենքեր.

3C-SiC, կոչվում է նաև բետա-SiC, սովորաբար ձևավորվում է իջեցված ջերմաստիճանում և մետաստաբիլ է, մինչդեռ 4H և 6H բազմատեսակները, կոչվում է ալֆա-SiC, ջերմային առումով շատ ավելի կայուն են և սովորաբար օգտագործվում են բարձր ջերմաստիճանի և թվային ծրագրերում.

Կառուցվածքային այս բազմազանությունը հնարավորություն է տալիս նյութի նպատակային տարբերակ՝ հիմնված նշանակված հավելվածի վրա, լինի դա ուժային էլեկտրոնային սարքերում, բարձր արագությամբ հաստոցներ, կամ խիստ ջերմային միջավայրեր.

1.2 Միացման որակները և արդյունքի բնութագիրը

SiC-ի կայունությունը բխում է նրա ուժեղ կովալենտային Si-C կապերից, որոնք կարճ են երկարությամբ և շատ ուղղորդված, արդյունքում առաջանում է կոշտ եռաչափ ցանց.

Այս կապի դասավորությունը ներկայացնում է ֆենոմենալ մեխանիկական տներ, ներառյալ բարձր ամրությունը (սովորաբար 25– 30 GPa-ն Vickers միջակայքում), ակնառու ճկման դիմացկունություն (այնքան, որքան 600 ՄՊա սինտրացված տեսակների համար), և ճաքերի լավ ամրություն այլ կերամիկայի համար.

Կովալենտային բնույթը նաև ավելացնում է SiC-ի բարձր ջերմային հաղորդունակությունը, որը կարող է հասնել 120-ի– 490 W/m · K հենվելով պոլիտիպի և մաքրության վրա– նման է որոշ մետաղների և շատ գերազանցում է ճարտարապետական ​​ճենապակու մեծ մասը.

Ավելին, SiC-ն ցուցադրում է ջերմային զարգացման ցածր գործակից, մոտ 4.0– 5.6 × 10 6/ Կ, որը, երբ զուգակցվում է բարձր ջերմային հաղորդունակության հետ, ապահովում է ջերմային ցնցումների զգալի դիմադրություն.

Սա նշանակում է, որ SiC բաղադրիչները կարող են արագ ջերմաստիճանի ճշգրտումներ կատարել՝ առանց ճաքելու, կարևոր հատկանիշ այնպիսի ծրագրերում, ինչպիսիք են ջեռուցիչի մասերը, ջերմափոխանակիչներ, և օդատիեզերական ջերմային պաշտպանության համակարգեր.

2. Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի սինթեզ և մշակման ռազմավարություններ

( Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա)

2.1 Հիմնական արտադրական մոտեցումներ: Աչեսոնից մինչև առաջադեմ սինթեզ

Սիլիցիումի կարբիդի արդյունաբերական արտադրությունը վերադառնում է 19-րդ դարի վերջին՝ Աչեսոնի ընթացակարգի մշակմամբ։, ածխաջերմային նվազեցման մեթոդ, որի դեպքում բարձր մաքրության սիլիցիումի պարունակությունը (SiO 2) և ածխածին (սովորաբար նավթային կոքս) տաքացվում են մինչև վերևի ջերմաստիճանը 2200 ° C էլեկտրական դիմադրության ջեռուցիչում.

Մինչ այս մեթոդը շարունակում է սովորաբար օգտագործվել հղկող նյութերի և հրակայուն նյութերի համար չմշակված SiC փոշի արտադրելու համար, այն տալիս է կեղտերով և անհավասար մասնիկների մորֆոլոգիա ունեցող նյութեր, սահմանափակելով դրա օգտագործումը բարձր արդյունավետության կերամիկայի մեջ.

Ժամանակակից բարելավումները հանգեցրել են այլընտրանքային սինթեզի ուղիների, ինչպիսիք են քիմիական գոլորշիների նստեցումը (CVD), որը ստեղծում է ծայրահեղ բարձր մաքրություն, մեկ բյուրեղյա SiC կիսահաղորդչային կիրառությունների համար, և նանոմաշտաբով փոշիների համար լազերային օգնությամբ կամ պլազմայի միջոցով սինթեզ.

Այս բարդ տեխնիկան թույլ է տալիս ճշգրիտ վերահսկել ստոիքիոմետրիան, մասնիկի չափս, և փուլային մաքրություն, կարևոր է SiC-ը դիզայնի հատուկ պահանջներին համապատասխանեցնելու համար.

2.2 Խտացում և միկրոկառուցվածքային հսկողություն

SiC ճենապակու արտադրության լավագույն դժվարություններից է ամբողջական խտացման հասնելը` շնորհիվ նրա ամուր կովալենտային կապի և ցածր ինքնադիֆուզիոն գործակիցների:, որոնք արգելակում են ստանդարտ սինթրինգը.

Սա հաղթահարելու համար, մշակվել են մի շարք հատուկ խտացման ռազմավարություններ.

Ռեակցիոն կապը ենթադրում է ծակոտկեն ածխածնի նախապատմություն հալած սիլիցիումի ներթափանցում, որն արձագանքում է SiC-ի տեղում զարգացնելուն, արդյունքում ստացվում է գրեթե ցանցի ձևի բաղադրիչ՝ շատ փոքր նեղացումով.

Առանց ճնշման սինթրինգը ձեռք է բերվում՝ ներառելով սինթրեման օժանդակ միջոցներ, ինչպիսիք են բորը և ածխածինը, որոնք գովազդում են հացահատիկի տարածումը և վերացնում ծակոտիները.

Ջերմ սեղմում և տաք իզոստատիկ սեղմում (ՀԻՊ) կիրառեք արտաքին սթրես ամբողջ ջեռուցման ընթացքում, թույլ տալով լիարժեք խտացում իջեցված ջերմաստիճանի մակարդակներում և ստեղծելով մեխանիկական նշանակալի բնակելի կամ առևտրային հատկություններով նյութեր.

Այս մշակման մոտեցումները հնարավորություն են տալիս SiC մասերի կառուցումը մանրահատիկով, միասնական միկրոկառուցվածքներ, կարևոր ուժը առավելագույնի հասցնելու համար, մաշվածության դիմադրություն, և ամբողջականություն.

3. Գործնական արդյունավետություն և բազմաֆունկցիոնալ կիրառություններ

3.1 Ջերմային և մեխանիկական կայունություն ծանր միջավայրերում

Սիլիցիումի կարբիդային ճենապակյա ճենապակները հստակորեն համապատասխանում են ծանր խնդիրների պրոցեդուրաներին՝ ջերմության ժամանակ կառուցվածքային կայունությունը պահպանելու ունակության պատճառով:, դիմակայել օքսիդացմանը, և դիմակայել մեխանիկական մաշվածությանը.

Օքսիդացնող միջավայրերում, SiC-ը ստեղծում է անվտանգ սիլիցիում (SiO 2) շերտ իր մակերեսի վրա, ինչը նվազեցնում է հետագա օքսիդացումը և թույլ է տալիս շարունակական օգտագործումը ջերմաստիճանի մակարդակներում այնքան, որքան 1600 ° C.

Այս օքսիդացման դիմադրությունը, ինտեգրված բարձր սողացող դիմադրության հետ, SiC-ը հարմար է գազի գեներատորների մասերի համար, այրման պալատներ, և բարձր արդյունավետությամբ ջերմափոխանակիչներ.

Նրա բացառիկ կարծրությունը և քայքայումի դիմադրությունը օգտագործվում են առևտրային կիրառություններում, ինչպիսիք են ցեխի պոմպի մասերը, ավազահանման վարդակներ, և կտրող սարքեր, որտեղ մետաղական այլընտրանքները արագ կփչանան.

Ավելին, SiC-ի կրճատված ջերմային ընդլայնումը և բարձր ջերմային հաղորդունակությունը այն դարձնում են առաջարկվող արտադրանք տիեզերական աստղադիտակների և լազերային համակարգերի հայելիների համար:, որտեղ ծավալային անվտանգությունը ջերմային հեծանվավազքի տակ կենսական նշանակություն ունի.

3.2 Էլեկտրական և կիսահաղորդչային կիրառություններ

Իր կառուցվածքային օգտակարությունից դուրս, Սիլիցիումի կարբիդը փոխակերպիչ գործառույթ է կատարում ուժային էլեկտրոնիկայի ոլորտում.

4H-SiC, մասնավորապես, տիրապետում է մոտավորապես 3.2 eV, թույլ տալով սարքերին աշխատել ավելի բարձր լարման վրա, ջերմաստիճանները, և միացման օրինաչափությունները, քան ավանդական սիլիցիումի վրա հիմնված կիսահաղորդիչները.

Սա հանգեցնում է էլեկտրական գործիքների– ինչպիսիք են Schottky դիոդները, MOSFET-ներ, և JFET-ները– էլեկտրաէներգիայի զգալիորեն կրճատված կորուստներով, ավելի փոքր չափի, և բարձրացրել է արդյունավետությունը, որոնք ներկայումս լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրական մեքենաներում, վերականգնվող ռեսուրսների ինվերտորներ, և իմաստուն ցանցային համակարգեր.

SiC-ի բարձր անսարքության էլեկտրական տարածքը (մասին 10 ավելի քան սիլիկոնից) թույլ է տալիս ավելի բարակ դրեյֆ շերտեր, նվազագույնի հասցնելով դիմադրությունը և բարձրացնելով հարմարանքների աշխատանքը.

Ավելին, SiC-ի բարձր ջերմային հաղորդունակությունը նպաստում է ջերմության հաջող ցրմանը, նվազագույնի հասցնելով մեծ օդորակման համակարգերի անհրաժեշտությունը և թույլ տալով ավելի փոքրացնել, հուսալի էլեկտրոնային բաղադրիչներ.

4. Առաջացող սահմանները և ապագայի ակնարկը սիլիկոնային կարբիդի տեխնոլոգիայի մեջ

4.1 Համակցություն առաջադեմ էներգիայի և օդատիեզերական լուծումների մեջ

Պարբերական անցումը կոկիկ էներգիայի և էներգիայով հագեցած տրանսպորտին առաջացնում է SiC-ի վրա հիմնված տարրերի աննման պահանջարկ.

Արևային ինվերտորներում, քամու էներգիայի փոխարկիչներ, և մարտկոցների կառավարման համակարգեր, SiC գործիքներն ավելացնում են էներգիայի փոխակերպման ավելի բարձր արդյունավետությունը, ուղիղ նվազող ածխածնի արտանետումները և գործառնական ծախսերը.

Ավիատիեզերքում, SiC մանրաթելով ամրացված SiC մատրիցային կոմպոզիտներ (SiC/SiC CMC-ներ) ստեղծվում են հողմատուրբինների շեղբերների համար, այրիչի երեսպատումներ, և ջերմային անվտանգության համակարգեր, ապահովելով քաշի ծախսերի խնայողություն և արդյունավետության բարձրացում նիկելի վրա հիմնված սուպերհամաձուլվածքների նկատմամբ.

Այս կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտները կարող են աշխատել գերազանցող ջերմաստիճաններում 1200 ° C, հնարավոր դարձնելով հաջորդ սերնդի ռեակտիվ շարժիչներ՝ ավելի մեծ մղում-քաշ համամասնություններով և բարելավված գազի կատարողականությամբ.

4.2 Նանոտեխնոլոգիա և քվանտային կիրառություններ

Նանոմաշտաբով, Սիլիցիումի կարբիդը ցույց է տալիս հստակ քվանտային շենքեր, որոնք ստուգվում են հաջորդ սերնդի տեխնոլոգիաների համար.

SiC հյուրընկալող սիլիկոնային բացվածքների և շեղումների որոշ տիպեր, որոնք գործում են որպես պտտվող ակտիվ խնդիրներ, գործում է որպես քվանտային փոքր բիթ (qubits) քվանտային համակարգչի և քվանտային նկատող հավելվածների համար.

Այս խնդիրները կարող են օպտիկական կերպով բեռնվել, վերահսկվում է, և վերանայել սենյակային ջերմաստիճանում, զգալի առավելություն շատ այլ քվանտային համակարգերի նկատմամբ, որոնք պահանջում են կրիոգեն խնդիրներ.

Ավելին, SiC նանոլարերը և նանոմասնիկները հետազոտվում են դաշտային արտանետումների սարքերում օգտագործելու համար, ֆոտոկատալիզ, և կենսաբժշկական պատկերազարդումը` իրենց բարձր հարաբերակցության պատճառով, քիմիական անվտանգություն, և կարգավորելի էլեկտրոնային բնակելի կամ առևտրային սեփականություն.

Որպես ուսումնասիրության առաջընթաց, SiC-ի յուրացումն անմիջապես խաչասերված քվանտային համակարգերի և նանոէլեկտրամեխանիկական սարքերի մեջ (NEMS) խոստանում է մեծացնել իր պարտականությունը ավանդական դիզայնի տիրույթներից դուրս.

4.3 Կայունության և կյանքի ցիկլի գործոնները, որոնք պետք է հաշվի առնել

SiC-ի արտադրությունը էներգատար է, հատկապես բարձր ջերմաստիճանի սինթեզի և սինթեզման գործընթացներում.

Այնուամենայնիվ, SiC տարրերի կայուն օգուտները– ինչպիսին է երկարատև կյանքի տևողությունը, պահպանման նվազում, և բարելավել համակարգի արդյունավետությունը– սովորաբար գերազանցում է սկզբնական էկոլոգիական ազդեցությունը.

Նախաձեռնություններ են իրականացվում՝ ստեղծելու էլ ավելի կայուն արտադրական ուղիներ, բաղկացած միկրոալիքային վառարանի օգնությամբ սինթրինգից, հավելումների արտադրություն (3D տպագրություն) SiC-ի, և կիսահաղորդչային վաֆլի վերամշակումից ստացված SiC թափոնների վերամշակում.

Այս առաջընթացները նպատակ ունեն նվազեցնել էներգիայի սպառումը, նվազագույնի հասցնել նյութական թափոնները, և աջակցել կլոր տնտեսական միջավայրին առաջադեմ նյութերի ոլորտներում.

Եզրափակելով, Սիլիցիումի կարբիդային ճենապակները ներկայացնում են ժամանակակից արտադրանքի գիտության հիմնաքարը, կամրջելով անջրպետը ճարտարապետական ​​ամրության և գործնական ճկունության միջև.

Ավելի մաքուր էներգահամակարգերի հնարավորություն տալուց մինչև քվանտային նորարարությունների հզորացում, SiC-ը մնում է վերասահմանել այն սահմանները, ինչ հնարավոր է դիզայնի և գիտական ​​հետազոտությունների մեջ.

Քանի որ բեռնաթափման տեխնիկան զարգանում է, և բոլորովին նոր հավելվածներ են առաջանում, Սիլիցիումի կարբիդի ապագան չափազանց պայծառ է մնում.

5. Մատակարար

Advanced Ceramics-ը հիմնադրվել է հոկտեմբերին 17, 2012, բարձր տեխնոլոգիական ձեռնարկություն է, որը նվիրված է հետազոտության և զարգացմանը, արտադրություն, վերամշակում, կերամիկական հարաբերական նյութերի և արտադրանքի վաճառք և տեխնիկական ծառայություններ. Մեր արտադրանքը ներառում է, բայց չի սահմանափակվում բորի կարբիդի կերամիկական արտադրանքներով, Բորի նիտրիդ կերամիկական արտադրանք, Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկական արտադրանք, Սիլիկոնային նիտրիդային կերամիկական արտադրանք, Ցիրկոնիումի երկօքսիդի կերամիկական արտադրանք, և այլն. Եթե ​​դուք հետաքրքրված եք, խնդրում ենք ազատ զգալ կապվել մեզ հետ:([email protected])
Պիտակներ: Սիլիկոնային կարբիդ կերամիկա,սիլիցիումի կարբիդ,սիլիցիումի կարբիդի գինը

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

Հարցրեք մեզ