Жасыл кремний карбидінің микроұнтақтарының бірегей қасиеттері мен қолдану перспективаларын ашу
Бүгінгі жоғары технологиялық материалдар саласында жасыл кремний карбиді микроұнтағы өзінің бірегей физикалық және химиялық қасиеттерімен біртіндеп материалтану қоғамдастығының назарына айналады. Көміртек пен кремний элементтерінен тұратын бұл қосылыс ерекше кристалдық құрылымы мен тамаша өнімділігі арқасында көптеген өнеркәсіптік салаларда кең қолдану перспективаларын көрсетті. Бұл мақала жасыл кремний карбидінің микроұнтағының бірегей қасиеттерін және оның әртүрлі салаларда қолдану мүмкіндіктерін терең зерттейді.
1. Жасыл кремний карбидінің микроұнтағының негізгі сипаттамалары
Жасыл кремний карбиді (SiC) синтетикалық өте қатты материал болып табылады және коваленттік байланыс қосылысына жатады. Оның кристалдық құрылымы гауһар тәрізді орналасуы бар алтыбұрышты жүйені ұсынады. Жасыл кремний карбиді микроұнтағы әдетте бөлшектердің мөлшері 0,1-100 микрон болатын ұнтақ өнімдерге жатады және оның түсі әртүрлі тазалық пен қоспаның мазмұнына байланысты ашық жасылдан қою жасылға дейін әртүрлі реңктерді ұсынады.
Микроскопиялық құрылымнан жасыл кремний карбиді кристалындағы әрбір кремний атомы төрт көміртек атомымен тетраэдрлік координацияны құрайды. Бұл күшті коваленттік байланыс құрылымы материалға өте жоғары қаттылық пен химиялық тұрақтылықты береді. Айта кету керек, жасыл кремний карбидінің Mohs қаттылығы 9,2-9,3-ке жетеді, алмаз және текше бор нитридінен кейін екінші орында, бұл оны абразивтер саласында таптырмас етеді.
2. Жасыл кремний карбидінің микроұнтақтарының бірегей қасиеттері
1. Өте жақсы механикалық қасиеттер
Жасыл кремний карбидінің микроұнтағының ең көрнекті ерекшелігі оның өте жоғары қаттылығы болып табылады. Оның Vickers қаттылығы 2800-3300 кг/мм² жетуі мүмкін, бұл қатты материалдарды өңдеу кезінде жақсы жұмыс істейді. Сонымен қатар, жасыл кремний карбиді де жақсы қысу беріктігіне ие және әлі де жоғары температурада жоғары механикалық беріктікті сақтай алады. Бұл мүмкіндік оны төтенше ортада пайдалануға мүмкіндік береді.
2. Тамаша жылу қасиеттері
Жасыл кремний карбидінің жылу өткізгіштігі 120-200Вт/(м·К) жоғары, бұл қарапайым болаттан 3-5 есе жоғары. Бұл тамаша жылу өткізгіштік оны тамаша жылуды тарататын материал етеді. Одан да таңғаларлық, жасыл кремний карбидінің термиялық кеңею коэффициенті небәрі 4,0×10⁻⁶/℃, яғни ол температура өзгерген кезде тамаша өлшемдік тұрақтылыққа ие болады және термиялық кеңею мен жиырылуына байланысты айқын деформацияны тудырмайды.
3. Керемет химиялық тұрақтылық
Химиялық қасиеттері бойынша жасыл кремний карбиді өте күшті инерттілікті көрсетеді. Ол қышқылдардың, сілтілердің және тұз ерітінділерінің көпшілігінің коррозиясына төтеп бере алады және тіпті жоғары температурада да тұрақты болып қала алады. Тәжірибе көрсеткендей, жасыл кремний карбиді әлі де 1000 ℃ төмен тотықтырғыш ортада жақсы тұрақтылықты сақтай алады, бұл оны коррозиялық ортада ұзақ мерзімді пайдалану мүмкіндігін береді.
4. Арнайы электрлік қасиеттері
Жасыл кремний карбиді - кең жолақты жартылай өткізгіш материал, жолақ ені 3,0эВ, ол кремнийдің 1,1эВ-інен әлдеқайда үлкен. Бұл мүмкіндік оған жоғары кернеулер мен температураларға төтеп беруге мүмкіндік береді және қуатты электронды құрылғылар саласында бірегей артықшылықтарға ие. Сонымен қатар, жасыл кремний карбиді де жоғары электрондардың қозғалғыштығына ие, бұл жоғары жиілікті құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді.
3. Жасыл кремний карбидінің микроұнтағын дайындау процесі
Жасыл кремний карбидінің микроұнтағын дайындау негізінен Ачесон процесін қабылдайды. Бұл әдіс кварц құмы мен мұнай коксын белгілі бір пропорцияда араластырады және реакцияға төзімді пеште 2000-2500 ℃ дейін қыздырады. Реакция нәтижесінде пайда болған блокты жасыл кремний карбиді ұсақтау, сұрыптау және әр түрлі бөлшектер өлшеміндегі микроұнтақ өнімдерін алу үшін тұздау сияқты процестерден өтеді.
Соңғы жылдары технологияның дамуымен жаңа дайындау әдістері пайда болды. Химиялық буларды тұндыру (CVD) жоғары тазалықтағы нано масштабты жасыл кремний карбиді ұнтағын дайындай алады; золь-гель әдісі ұнтақтың бөлшектерінің өлшемін және морфологиясын дәл бақылай алады; плазмалық әдіс үздіксіз өндіріске қол жеткізуге және өндіріс тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Бұл жаңа процестер өнімділікті оңтайландыру және жасыл кремний карбидінің микроұнтағын қолдануды кеңейту үшін көбірек мүмкіндіктер береді.
4. Жасыл кремний карбидінің микроұнтағын қолданудың негізгі аймақтары
1. Нақты тегістеу және жылтырату
Өте қатты абразив ретінде жасыл кремний карбиді микроұнтағы цементтелген карбидті, керамиканы, шыныны және басқа материалдарды дәл өңдеуде кеңінен қолданылады. Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде кремний пластинкаларын жылтырату үшін жоғары таза жасыл кремний карбиді ұнтағы қолданылады және оның кесу өнімділігі дәстүрлі алюминий тотығы абразивтеріне қарағанда жақсырақ. Оптикалық компоненттерді өңдеу саласында жасыл кремний карбиді ұнтағы нано масштабты бетінің кедір-бұдырына қол жеткізе алады және жоғары дәлдіктегі оптикалық компоненттерді өңдеу талаптарына жауап береді.
2. Жетілдірілген керамикалық материалдар
Жасыл кремний карбиді ұнтағы жоғары өнімді керамика дайындау үшін маңызды шикізат болып табылады. Тамаша механикалық қасиеттері мен термиялық тұрақтылығы бар құрылымдық керамика ыстық престеу агломерация немесе реакциялық агломерация процестері арқылы жасалуы мүмкін. Керамикалық материалдың бұл түрі механикалық тығыздағыштар, мойынтіректер және саптамалар сияқты негізгі компоненттерде, әсіресе жоғары температура мен коррозия сияқты ауыр жұмыс жағдайында кеңінен қолданылады.
3. Электроника және жартылай өткізгіш құрылғылар
Электроника саласында жасыл кремний карбиді ұнтағы кең жолақты жартылай өткізгіш материалдарды дайындау үшін қолданылады. Жасыл кремний карбидіне негізделген қуат құрылғылары жоғары жиілікті, жоғары вольтты және жоғары температуралық жұмыс сипаттамаларына ие және жаңа энергетикалық көліктерде, смарт желілерде және басқа салаларда үлкен әлеуетті көрсетеді. Зерттеулер көрсеткендей, жасыл кремний карбиді қуат құрылғылары кремний негізіндегі дәстүрлі құрылғылармен салыстырғанда энергия жоғалуын 50%-дан астамға азайтады.
4. Құрама арматура
Жасыл кремний карбиді ұнтағын металға немесе полимерлі матрицаға күшейту фазасы ретінде қосу композиттік материалдың беріктігін, қаттылығын және тозуға төзімділігін айтарлықтай жақсарта алады. Аэроғарыш саласында алюминий негізіндегі кремний карбиді композиттері жеңіл және жоғары берік құрылымдық бөлшектерді өндіру үшін қолданылады; автомобиль өнеркәсібінде кремний карбиді күшейтілген тежегіш төсемдер жоғары температураға тамаша төзімділік көрсетеді.
5. Отқа төзімді материалдар мен жабындар
Жасыл кремний карбидінің жоғары температурадағы тұрақтылығын пайдалана отырып, жоғары өнімді отқа төзімді материалдарды дайындауға болады. Болат балқыту өнеркәсібінде кремний карбиді отқа төзімді кірпіш домна пештері мен конвертерлер сияқты жоғары температуралы жабдықтарда кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, кремний карбидті жабындар негізгі материал үшін тамаша тозу мен коррозиядан қорғауды қамтамасыз ете алады және химиялық жабдықтарда, турбиналық қалақтарда және басқа салаларда қолданылады.