Diamant Kiselkarbid

Diamantkiselkarbid är inte bara hårt, utan har också en exceptionell kemisk beständighet. Dessutom är dess värmeutvidgningskoefficient och konduktivitet låga medan värmeledningsförmågan är utmärkt.

Henri Moissan upptäckte först kristallin kiselkarbidpolymorf 1893, men moderna tillämpningar av SiC är enbart syntetiska eftersom naturligt polykristallint SiC är sällsynt.

Hårdhet

Kiselkarbid är en halvledare med brett bandgap och utmärkt värmeledningsförmåga samt korrosions- och värmebeständighet, vilket gör den lämplig för användning i tuffa miljöer. Kiselkarbid har också en Mohs-skala på 9-9,5 jämfört med diamantens 10. Denna hårdhet kommer från dess unika kristallstruktur som innehåller fyra hexagonala kisel-kolatomer tätt sammanbundna i kubiska gitterstrukturer bundna med starka bindningar; dessutom är kiselkarbid mycket billigare och lättare vilket gör den populärt utnyttjad industriella applikationer.

SiC är allmänt känt för sin hårdhet, vilket gör det användbart i många applikationer som slipning, skärning och borrning. Tyvärr kan dock den höga hållfastheten ibland leda till dålig brottseghet - ett oacceptabelt resultat med tanke på att mekanisk spänningsresistens är avgörande inom många områden.

Grafen kan förbättra brottsegheten hos SiC, vilket gör att den kan uthärda ökade mekaniska påfrestningar utan att spricka under stress. Denna effekt uppnås genom att applicera en epitaxial grafenbeläggning över ytan; tester med en Berkovich diamantindenter visade att denna ökning var upp till 30% under låga belastningar; ännu mer märkbar för indenter som gick djupare än 175nm - nästan tre hundra gånger tjockare än dess lager av grafen!

SiC:s förbättrade brottseghet är särskilt betydelsefull eftersom den gör det möjligt för tillverkare att tillverka mer långlivade och hållbara produkter, särskilt där tunga belastningar eller tryck måste upprätthållas av dess tillämpning. Det ger betydande fördelar i sådana situationer.

Termisk konduktivitet

Materialforskare står idag inför utmaningen att skapa kompakta och prisvärda kylflänsar för elektroniska enheter som datorprocessorer och halvledarlasrar. Aluminium och koppar är bland de mest använda materialen, men båda har relativt låg värmeledningsförmåga (250 W/(m2*K) eller 400 W/(m2*K)), vilket begränsar deras användningsområden.

Naturlig enkristallin diamant har den högsta värmeledningsförmågan bland bulkmaterial, men för att maximera de praktiska tillämpningarna av dess höga värmeledningsförmåga måste den integreras i kompositmaterial.

Forskare framställer vanligen sådana kompositer med hjälp av diamantpartiklar som fyllnadsmaterial och aluminium-, koppar- eller silvermetaller (vanligen aluminium) som bindemedel. Bindningen kan åstadkommas antingen mekaniskt genom att flytande metall pressas in i diamant under högt tryck eller genom gastrycksinfiltration.

Värmeledningsförmågan hos sådana kompositer beror på samspelet mellan kristallina diamantytor och smält bindemedelsmetall, där olika kristallografiska ytor hos diamanten vätar olika beroende på den kristallografiska ytans vätbarhet; aluminium vätar bra med kvadratiska ytor (001 kvadratiska och 11111 hexagonala ytor hos diamant), medan det inte fäster vid 100> kubiska ytor. Kontaktmotståndet vid diamant-metallgränserna - det s.k. Kapitsa-resistansen - spelar också en viktig roll för de termiska egenskaperna. Det kan bero på att diamanten inte fäster perfekt vid metallen eller på att diamanten och metallen har olika linjära värmeutvidgningskoefficienter.

Kemisk beständighet

Kiselkarbidens kemiska inertitet härrör från dess unika kristallstruktur som består av kol- och kiselatomer som binds samman av starka bindningar i kristallgittret, vilket ger den överlägsna kemiska inertitetsegenskaper som gör att den kan motstå oxidation samtidigt som den erbjuder låga termiska expansionshastigheter och styrka, vilket gör detta material lämpligt för många tuffa kemiska miljöer.

Tryckfri sinterad diamantkiselkarbid är mycket beständig mot syror (saltsyra, svavelsyra och fluorvätesyra), alkalier och smälta salter upp till 1600degC, samt mycket beständig mot oxiderande media som syre, kväveoxid och kolmonoxid. Dess korrosionsbeständighet gör den lämplig för exponering för syre, kväveoxider eller kolmonoxidmiljöer.

Även om diamant anses vara ett av de hårdaste materialen på jorden kan dess styrka inte jämföras med volframkarbid eller borkarbid. Kiselkarbid överglänser båda dessa material genom att vara tre gånger hårdare än volfram och två gånger hårdare än bor; dessutom finns det ett material som är hårdare än båda: syntetiska diamanter.

Standard SiC kan användas i mekaniska tätningsapplikationer, men dess dåliga prestanda beror ofta på dess oförmåga att lätt uppnå hydrodynamiska förhållanden - det vill säga bildandet av en vätskefilm mellan glidytorna. Diamond-SiC ger betydligt lägre friktion under både blandade och gränssmörjningsförhållanden även vid mycket höga kontakttryck och glidhastigheter, vilket gör att diamantkornen smidigt kan plana ut och jämna till ytorna utan att drabbas av nötning eller friktionsvärmeskador.

Elektrisk konduktivitet

För närvarande står specialister inom materialvetenskap inför en svår uppgift när det gäller att utveckla kompakta och prisvärda kylflänsar för elektroniska apparater som datorer, halvledarlasrar och högeffektiva mikrochips. Sådana värmeavledande material måste uppfylla stränga termiska egenskaper som överträffar aluminium och koppar samt ha justerbara termiska expansionskoefficienter med låg elektrisk resistivitet; enkristalldiamant har visat sig vara ett mycket lovande material för att uppfylla dessa kriterier med sin värmeledningsförmåga på över 2.200 W/(m*K).

Nedan visas en bild med en grå boll som representerar en kolatom i en diamant, sammankopplad av fyra svarta linjer som representerar kovalenta bindningar - denna form av bindning är det som ger diamanter deras styrka.

Kiselkarbid (SiC) är ett av de hårdaste material som mänskligheten någonsin har stött på, näst efter diamant när det gäller hårdhet. Brinell-hårdhetstester indikerar att det har 2400, men ytterligare koltillsats kan öka detta värde ytterligare.

För att uppnå maximal densitet och minimal porositet i ett diamant/SiC-kompositmaterial användes en optimerad blandning av tre storlekar av diamantpartiklar tillsammans med Dinger-Funks fyllnadsmodell för partikelstaplingsteori. Röntgendiffraktion och svepelektronmikroskopi (SEM) användes också för att verifiera dess struktur; genom att använda detta tillvägagångssätt förhindrades vidhäftning mellan produkt och smält kisel samt uppnåddes överlägsen densitet med utmärkta prestandaresultat.