Žaliojo silicio karbido mikromiltelių unikalių savybių ir pritaikymo perspektyvų atskleidimas
Šiandieninėje aukštųjų technologijų medžiagų srityje žali silicio karbido mikromilteliai dėl savo unikalių fizikinių ir cheminių savybių pamažu tampa medžiagų mokslo bendruomenės dėmesio objektu. Šis iš anglies ir silicio elementų sudarytas junginys dėl savo ypatingos kristalinės struktūros ir puikių eksploatacinių savybių pasižymi plačiomis taikymo perspektyvomis daugelyje pramonės sričių. Šiame straipsnyje bus išsamiai išnagrinėtos unikalios žaliųjų silicio karbido mikromiltelių savybės ir jų pritaikymo galimybės įvairiose srityse.
1. Žaliųjų silicio karbido mikromiltelių pagrindinės savybės
Žalias silicio karbidas (SiC) yra sintetinė itin kieta medžiaga, priklausanti kovalentinių junginių junginiui. Jo kristalinė struktūra yra šešiakampė sistema su deimanto formos išsidėstymu. Žaliojo silicio karbido mikromilteliai paprastai reiškia miltelių pavidalo produktus, kurių dalelių dydis yra nuo 0,1 iki 100 mikronų, o jų spalva dėl skirtingo grynumo ir priemaišų kiekio gali būti įvairių atspalvių – nuo šviesiai žalios iki tamsiai žalios.
Remiantis mikroskopine struktūra, kiekvienas žaliojo silicio karbido kristalo silicio atomas sudaro tetraedrinę koordinaciją su keturiais anglies atomais. Ši stipri kovalentinių ryšių struktūra suteikia medžiagai itin didelį kietumą ir cheminį stabilumą. Verta paminėti, kad žaliojo silicio karbido kietumas pagal Moso skalę siekia 9,2–9,3, nusileisdamas tik deimantui ir kubiniam boro nitridui, todėl jis yra nepakeičiamas abrazyvų srityje.
2. Unikalios žaliųjų silicio karbido mikromiltelių savybės
1. Puikios mechaninės savybės
Ryškiausia žaliojo silicio karbido mikromiltelių savybė yra itin didelis kietumas. Jų Vickerso kietumas gali siekti 2800–3300 kg/mm², todėl jie gerai veikia apdorojant kietas medžiagas. Tuo pačiu metu žaliasis silicio karbidas taip pat pasižymi geru gniuždymo stiprumu ir gali išlaikyti didelį mechaninį stiprumą aukštoje temperatūroje. Ši savybė leidžia juos naudoti ekstremaliomis sąlygomis.
2. Puikios šiluminės savybės
Žaliojo silicio karbido šilumos laidumas siekia net 120–200 W/(m·K), tai yra 3–5 kartus daugiau nei įprasto plieno. Dėl puikaus šilumos laidumo jis yra ideali šilumos išsklaidymo medžiaga. Dar labiau stebina tai, kad žaliojo silicio karbido šiluminio plėtimosi koeficientas yra tik 4,0 × 10⁻⁶/℃, o tai reiškia, kad jis pasižymi puikiu matmenų stabilumu kintant temperatūrai ir nesukelia akivaizdžios deformacijos dėl šiluminio plėtimosi ir susitraukimo.
3. Išskirtinis cheminis stabilumas
Kalbant apie chemines savybes, žaliasis silicio karbidas pasižymi itin dideliu inertiškumu. Jis gali būti atsparus daugelio rūgščių, šarmų ir druskos tirpalų korozijai ir išlikti stabilus net aukštoje temperatūroje. Eksperimentai rodo, kad žaliasis silicio karbidas gali išlaikyti gerą stabilumą oksiduojančioje aplinkoje, žemesnėje nei 1000 ℃, todėl jį galima ilgai naudoti korozinėje aplinkoje.
4. Specialios elektrinės savybės
Žalias silicio karbidas yra plataus draudžiamojo tarpo puslaidininkinė medžiaga, kurios draudžiamojo tarpo plotis yra 3,0 eV, t. y. daug didesnis nei silicio 1,1 eV. Ši savybė leidžia jam atlaikyti aukštesnę įtampą ir temperatūrą, be to, jis turi unikalių pranašumų galios elektronikos prietaisų srityje. Be to, žalias silicio karbidas taip pat pasižymi dideliu elektronų judrumu, todėl galima kurti aukšto dažnio prietaisus.
3. Žaliųjų silicio karbido mikromiltelių paruošimo procesas
Žaliųjų silicio karbido mikromiltelių gamybai daugiausia taikomas Achesono procesas. Šiuo metodu kvarcinis smėlis ir naftos koksas tam tikru santykiu sumaišomi ir kaitinami iki 2000–2500 ℃ varžinėje krosnyje reakcijai. Reakcijos metu susidaręs blokinis žaliasis silicio karbidas yra smulkinamas, rūšiuojamas ir ėsdinamas, kad galiausiai būtų gauti skirtingo dydžio dalelių mikromiltelių produktai.
Pastaraisiais metais, tobulėjant technologijoms, atsirado keletas naujų paruošimo metodų. Cheminis garų nusodinimas (CVD) leidžia paruošti labai grynus nanoskalės žalius silicio karbido miltelius; zolio-gelio metodas gali tiksliai kontroliuoti miltelių dalelių dydį ir morfologiją; plazmos metodas gali užtikrinti nepertraukiamą gamybą ir pagerinti gamybos efektyvumą. Šie nauji procesai suteikia daugiau galimybių optimizuoti žalių silicio karbido mikromiltelių našumą ir išplėsti jų pritaikymą.
4. Pagrindinės žaliųjų silicio karbido mikromiltelių taikymo sritys
1. Tikslus šlifavimas ir poliravimas
Žaliojo silicio karbido mikromilteliai, kaip itin kietas abrazyvas, plačiai naudojami tiksliam cementuoto karbido, keramikos, stiklo ir kitų medžiagų apdirbimui. Puslaidininkių pramonėje didelio grynumo žaliojo silicio karbido milteliai naudojami silicio plokštelių poliravimui, o jų pjovimo našumas yra geresnis nei tradicinių aliuminio oksido abrazyvų. Optinių komponentų apdirbimo srityje žaliojo silicio karbido milteliai gali pasiekti nanoskalės paviršiaus šiurkštumą ir atitikti didelio tikslumo optinių komponentų apdorojimo reikalavimus.
2. Pažangios keraminės medžiagos
Žali silicio karbido milteliai yra svarbi žaliava gaminant aukštos kokybės keramiką. Struktūrinė keramika, pasižyminti puikiomis mechaninėmis savybėmis ir terminiu stabilumu, gali būti gaminama karštojo presavimo sukepinimo arba reakcinio sukepinimo procesais. Šio tipo keraminė medžiaga plačiai naudojama pagrindiniuose komponentuose, tokiuose kaip mechaniniai sandarikliai, guoliai ir purkštukai, ypač esant atšiaurioms darbo sąlygoms, tokioms kaip aukšta temperatūra ir korozija.
3. Elektronika ir puslaidininkiniai įtaisai
Elektronikos srityje žali silicio karbido milteliai naudojami plačiajuostėms puslaidininkinėms medžiagoms gaminti. Žaliojo silicio karbido pagrindu pagaminti galios įtaisai pasižymi aukšto dažnio, aukštos įtampos ir aukštos temperatūros darbinėmis savybėmis ir rodo didelį potencialą naujose energijos transporto priemonėse, išmaniuosiuose tinkluose ir kitose srityse. Tyrimai parodė, kad žaliojo silicio karbido galios įtaisai gali sumažinti energijos nuostolius daugiau nei 50 %, palyginti su tradiciniais silicio pagrindu pagamintais įtaisais.
4. Kompozitinė armatūra
Į metalinę arba polimerinę matricą įdėjus žalių silicio karbido miltelių kaip armavimo fazės, galima žymiai pagerinti kompozicinės medžiagos stiprumą, kietumą ir atsparumą dilimui. Aviacijos ir kosmoso srityje aliuminio pagrindo silicio karbido kompozitai naudojami lengvoms ir didelio stiprumo konstrukcinėms dalims gaminti; automobilių pramonėje silicio karbidu sustiprintos stabdžių trinkelės pasižymi puikiu atsparumu aukštai temperatūrai.
5. Ugniai atsparios medžiagos ir dangos
Pasinaudojant žalio silicio karbido atsparumu aukštai temperatūrai, galima pagaminti aukštos kokybės ugniai atsparias medžiagas. Plieno lydymo pramonėje silicio karbido ugniai atsparios plytos plačiai naudojamos aukštos temperatūros įrangoje, pavyzdžiui, aukštakrosnėse ir konverteriuose. Be to, silicio karbido dangos gali užtikrinti puikią pagrindinės medžiagos apsaugą nuo dilimo ir korozijos, jos naudojamos chemijos įrangoje, turbinų mentėse ir kitose srityse.