WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 7 Теплопроводность биоморфного композита SiC/Si — новой экокерамики канального типа © Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Н.Ф. Картенко, Н.В. Шаренкова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, H. Misiorek, A. Jezowski, F.M. Varela-Feria, J. Martinez-Fernandez, A.R. de Arellano-Lopez Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, 50-950 Wroclaw, Poland Universidad de Sevilla, 41080 Sevilla, Spain E-mail: igor.smirnov@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 2 сентября 2004 г.) В интервале температур T = 5-300 K измерены теплопроводность и удельное электросопротивление экокерамики канального типа — биоморфного композита SiC/Si, приготовленного на основе канальной углеродной матрицы, полученной из дерева (белого эвкалипта) с помощью пиролиза в атмосфере аргона, с последующей инфильтрацией в каналы матрицы расплавленного Si. Зависимости (T ) и (T ) измерялись на образце, вырезанном вдоль оси роста дерева. Проведен анализ полученных экспериментальных результатов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-0333183), Польского государственного комитета по научным исследованиям, KBN (грант N 3 TO8A 05426) и Министерства науки и технологии Испании (проект MAT 2003-05202-C02-01).

Биоморфные композиты SiC/Si, которые в литера- составляет 2.3g/cm3). К их технологическим преимутуре называются также экокерамикой (ecoceramics — ществам относятся большая скорость получения кераenvironment conscious ceramics), в последние годы вы- мики при не очень высокой температуре и достаточно звали большой интерес у технологов, физиков и инже- низкая себестоимость производства.

неров после обнаружения в них необычных физических Уникальной особенностью биоморфных композитов свойств, а также в связи с весьма заманчивой перспек- является возможность изготовления керамических издетивой практического применения.

лий с заранее выбранной формой, которая первоначальБиоморфные композиты конструируются на основе но задается путем несложной механической обработки „канальных“ углеродных матриц, получаемых путем пи- дерева. После проведения пиролиза и инфильтрации Si ролиза (обугливания) различных сортов дерева (сосны, в такие заготовки образуются высокопрочные, трудэвкалипта, манго, дуба, бука, клена и др.), с последу- но поддающиеся механической обработке керамические ющей инфильтрацией в пустые сквозные каналы этих изделия, которые сохраняют при этом первоначально матриц (с диаметрами каналов от 4 до 100 µm) заданную форму [1].

расплавленного Si; после химической реакции Si с Биоморфная керамика SiC/Si может использоваться в углеродной матрицей образуются композиты SiC/Si [1].

качестве легких сверхпрочных материалов в аэрокосмиКомпозиты в зависимости от технологии их при- ческой и автомобильной промышленности, в медицине готовления и сорта дерева образуют индивидуальные (в ортопедии), а также для изготовления высокотемпеячеистые (канальные) структуры. При этом основная ратурных нагревателей и термометров сопротивления масса образца композита (от 85 до 55%) может состоять и др.

из SiC, а вытянутые в направлении роста дерева каналы, Для физики твердого тела представляет фундамензаполненные Si, и каналы, оставшиеся пустыми, будут тальный интерес исследование физических свойств этозанимать соответственно от 15 до 35% и от 7 до 30% от го необычного класса материалов. К сожалению, до сих его объема.

пор физические исследования биомофных композитов Экокерамики SiC/Si характеризуются набором разно- были сконцентрированы главным образом на изучении образных свойств, которые делают их перспективными и их структурных и механических свойств [1–3]. Мы более рентабельными для практических приложений по исследовали в интервале температур 10-300 K повесравнению с классическими керамиками. Они обладают дение удельного электросопротивления биоморфного большой механической прочностью [1–3], противостоят композита SiC/Si, приготовленного на основе карбониокислению и коррозии, имеют малый вес (их плотность зированного дерева Sapele (African Entandrophragma Cylindricum) [4].

В работе [1] приводится обзор данных по получению, исследоОтметим, что исследование большего числа физичеванию структурных, механических свойств и перспективам практических свойств биоморфных композитов помимо чисто ского применения биоморфных композитов SiC/Si. В ней содержится 60 литературных ссылок, посвященных этим вопросам. научного интереса полезно (и необходимо) для поиска 1176 Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Н.Ф. Картенко, Н.В. Шаренкова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов...

и обнаружения дополнительных возможностей их практического применения.

Важным физическим параметром, с помощью которого можно получить сведения о процессах переноса и рассеяния тепла фононами в композитах, является их теплопроводность. Ее учет необходим также при инженерных расчетах тепловых потерь и тепловых потоков в приборах и конструкциях, выполненных на основе этой необычной керемики.

Теплопроводность биоморфной керамики SiC/Si пока не исследовалась. Именно этому вопросу и посвящена настоящая работа.

Рис. 1. Дифрактометрическая кривая интенсивности для ис1. Приготовление образцов следованного образца биоморфного композита SiC/Si. 1 — и их идентификация 3C-SiC, 2 — Si. На вставке — дифрактограмма углеродной матрицы белого эвкалипта.

Образец биоморфного композита SiC/Si был создан путем инфильтрации в вакууме расплавленного Si в углеродную канальную матрицу дерева белого эвкалипта, полученную в результате его пиролиза в атмосфере Плотности исследуемых образцов углеродной матриаргона при 1000C [1]. цы и композита SiC/Si составляли соответственно 0.После инфильтрации из готового бруска биоморфного и 2.37 g/cm3. С учетом подобных значений и великомпозита SiC/Si был вырезан образец в виде параллеле- чины плотности исходного дерева белого эвкалипта пипеда размером 2.2 1.5 3.4 mm. Длинная сторона (0.84 g/cm3) в работе [2] было сделано заключение, образца направлена вдоль оси роста дерева. Для ис- что в образце SiC/Si содержится 6 vol.% избыточного следования был приготовлен также образец углеродной кремния и 15-20% пустых каналов. Обращает на себя матрицы белого эвкалипта.

внимание заметное различие содержания избыточноНа этих образцах при 300 K были проведены микрого Si, оцененного на основании рентгеновских данных структурные, рентгеноструктурные исследования и изи измерений плотности.

мерена их плотность.

Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа Philips XL30, аналогич2. Экспериментальные результаты ны микрофотографиям, приведенным в работе [2]. На микрофотографии образца углеродной матрицы видна Теплопроводность и удельное электросопротивярко выраженная ячеистая структура с каналами, вы- comp ление comp образца биоморфного композита SiC/Si были тянутыми в направлении роста дерева, а на торцевых измерены в интервале температур 5-300 K на установповерхностях обоих образцов — отдельные поры с ке, аналогичной использованной в [5], и представлены диаметрами различного размера.

соответственно на рис. 2 и 3. Из-за достаточно большой Дифрактометрические кривые интенсивности для обвеличины comp полученная в эксперименте являетразцов биоморфного композита SiC/Si и соответствуюcomp щей ему углеродной матрицы белого эвкалипта, полу- ся теплопроводностью кристаллической решетки ( ).

ph ченные на аппарате ДРОН-2 (CuK-излучение), пред- На рис. 2 приведены также имеющиеся в литераставлены на рис. 1. Рентгенограмма биоморфного ком- туре экспериментальные данные для теплопроводности позита SiC/Si дает дифракционную картину смеси ку- поликристаллического 3C-SiC. К сожалению, нам не бического 3C-SiC (параметр решетки a = 4.358 ) и Si удалось найти в литературе данных о теплопроводности (a = 5.430 ). Обе фазы хорошо сформированы. Содер3C-SiC для интервала температур 40-300 K. Поэтому жание кремния в образце SiC/Si по рентгенометрической на рис. 2 штриховой линией (кривая 11) представлена оценке на основании данных для образцов композита гипотетическая кривая, соединяющая низкотемператури кремния составляет 15 vol.%. Дифрактограмма угные и высокотемпературные участки теплопроводности леродной матрицы белого эвкалипта содержит только 3C-SiC.

диффузные гало, характерные для аморфного вещества На рис. 3 (см. также вставки к нему) показана полу(см. вставку на рис. 1).

ченная для исследуемого образца зависимость comp(T ) На основании электронно-микроскопических измерений на больбез учета его пористости. Видно, что в области низких шом числе образцов углеродной матрицы белого эвкалипта было температур (5-20 K) comp(T ) =const, но при T > 20 K установлено [1], что небольшие поры (отвечающие среднему диаметру удельное сопротивление возрастает с повышением темканалов 4 ) и большие поры (отвечающие среднему диаметру пературы и при T > 150 K выходит на зависимость каналов 62.5 ) занимают в ней соответственно 29 и 14% от общего объема образца. comp T0.3.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Теплопроводность биоморфного композита SiC/Si — новой экокерамики канального типа 3. Обсуждение результатов Образец исследованного биоморфного композита состоит из поликристаллической основы 3C-SiC, кремния, расположенного в каналах, и пустых каналов (определяющих пористость образца). С помощью формулы Литовского [12] = (1 - P) 1 - P (1) comp comp был проведен учет пористости P и выделена из измеренной в эксперименте теплопроводность, отноcomp comp сящаяся лишь к 3C-SiC и Si (кривая 10 на рис. 2). При этом в расчетах величина P принималась равной 0.2.

Согласно данным по микроструктуре углеродной матрицы дерева белого эвкалипта и биоморфного композита SiC/Si, полученного на его основе, исследованный образец имеет ячеистую структуру, представляющую собой вытянутые вдоль его большего размера (вдоль оси роста дерева) пустые и заполненные кремнием каналы различного диаметра. Для анализа экспериментальных данных по теплопроводности будем считать, что эти каРис. 2. Температурные зависимости теплопроводности кри- налы расположены параллельно направленному в глубь сталлической решетки исследованного образца биоморфного образца тепловому потоку (см. вставку на рис. 2).

композита SiC/Si (1), измеренной в направлении роста дерева, Для расчета теплопроводности системы, состоящей из поликристаллических образцов 3C-SiC (2–8) (2 — [6], 3 — [7], чередующихся параллельных слоев материалов, можно 4, 6 — [8], 5, 8 — [9], 7 — [10]) и кремния высокой чистовоспользоваться формулой Дульнева-Заричняка [13] ты [11] (9). 10 — теплопроводность образца биоморфноcomp calc го композита SiC/Si, 11 — гипотетическая кривая, связываю = (1 - m) + m, (2) comp 1 щая имеющиеся в литературе низко- и высокотемпературные данные для теплопроводности 3C-SiC. На вставке — схематигде и — соответственно теплопроводности 3C-SiC 1 ческое изображение образца биоморфного композита SiC/Si.

и Si, m — процент, приходящийся на долю Si в образце.

На рис. 4 представлены результаты расчета calc comp (кривая 4), проведенные с помощью формулы (2), и литературные данные для теплопроводностей 3C-SiC (, кривая 2) и Si (, кривая 3). Оказалось, что 1 calc расчетные значения (T ), полученные для низких comp температур (кривая 4), намного больше экспериментальных значений (T ) (кривая 1).

comp Исходя из характера поведения (T ), полученноcomp го экспериментально для области средних температур (200-300 K), лучшего согласия расчетных и экспериментальных данных при выбранных выше значениях теплопроводностей 3C-SiC и Si можно было ожидать при высоких температурах, как это и видно из рис. 4.

В чем же состоит причина значительного расхождения расчетных и экспериментальных данных для области низких температур и возможно, не столь критического расхождения в области высоких температур Вероятнее всего, это связано с тем, что теплопроводности 3C-SiC, образующего биоморфный композит Рис. 3. Температурная зависимость удельного электросо- SiC/Si, и Si, расположенного в каналах этого компопротивления comp исследованного биоморфного композита зита, заметно отличаются (в сторону уменьшения) от SiC/Si без учета его пористости, измеренная на образце, литературных значений теплопроводностей 3C-SiC и Si вырезанном вдоль оси роста дерева белого эвкалипта, для (высокой чистоты). Сильное отличие теплопроводностей интервала 100-300 K. На вставках — зависимости comp(T ) К сожалению, в настоящей ситуации можно ограничиться лишь для низкотемпературного участка кривой (5-80 K) (a) и в формулировкой „можно было ожидать“, так как экспериментальные логарифмическом масштабе для интервала 50-300 K (b).

данные для (T ) в области температур T > 300 K отсутствуют.

comp Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1178 Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Н.Ф. Картенко, Н.В. Шаренкова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов...

Tl и больше всего Ca и P, которые (особенно последний) могут выступить в качестве легирующих примесей, приводящих к уменьшению и кремния. На уменьшение кремния в композите могут оказывать влияние также и специфические структурные дефекты, возникающие в нем в процессе инфильтрации в каналы углеродной матрицы. Гипотетическая кривая 6 для (T ) Si (рис. 4) хорошо вписывается в семейство кривых, соответствующих теплопроводностям Si различной чистоты [11] (рис. 5).

Указанные выше примеси могут также вызвать уменьшение теплопроводности 3C-SiC по сравнению с литературными данными. К уменьшению 3C-SiC могло привести также и присутствие в биоморфном композите части 3C-SiC в нанокристаллическом состоянии [1].

Биоморфный композит SiC/Si относится к группе неоксидных керамик, имеющих достаточно большую величину теплопроводности при T 300 K [14]. Втаблице приведены данные для теплопроводности при 300 K керамик, полученных на основе политипа 6H-SiC, которые имеют промышленное значение [14]. Теплопроводность исследованного в настоящей работе образца экокерамиРис. 4. Температурные зависимости теплопроводности крики SiC/Si составляет при 300 K 80 W/m · K, так что сталлической решетки. 1 — для исследованного образца биои по этому параметру рассматриваемая экокерамика морфного композита SiC/Si ( ), 2 —для 3C-SiC на низкоcomp может представлять интерес для практического испольтемпературном (4 на рис. 2) и высокотемпературном (5–8 на рис. 2) участках, 3 — для Si высокой чистоты [11], 4 —рас- зования.

calc чет по формуле (2), 5, 6 — гипотетические значения comp теплопроводностей соответственно 3C-SiC и Si, образующих биоморфный композит SiC/Si.

этих материалов от литературных данных должно иметь место при низких температурах, в то время как при высоких температурах их теплопроводности могут приближаться к значениям, приведенным в литературе.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.