Kuna elektroonikaseadmete integraallülitused muutuvad üha keerukamaks ja kiipide suurus väheneb, halvendab töö ajal liigne kuumuse kogunemine seadme jõudlust ning võib isegi põhjustada lühiseid ja muid rikkeid. Elektroonikaseadmete stabiilse, ohutu ja tõhusa töö tagamiseks on uurimistöö keskmeks saanud kõrge soojusjuhtivusega, madala soojuspaisumisteguri, väikese tihedusega ja suurepärase paindetugevusega pakkematerjalide väljatöötamine.
01 Teemant/ränikarbiid: võimas kombinatsioon soojusjuhtimiseks
Teemantil on inimesele teadaolevatest looduslikult esinevatest materjalidest kõrgeim soojusjuhtivus, mis on kombineeritud madala soojuspaisumise koefitsiendi, suure tugevuse ja kõvadusega ning suurepärase keemilise stabiilsusega, mistõttu on see ideaalne soojusjuhtimise materjal. Ränikarbiidil on ka madal soojuspaisumistegur ja suurepärane soojusjuhtivus. Teemandi lisamisega ränikarbiidi tugevdava faasina on võimalik saavutada häälestatavate soojuspaisumisteguriga ja kõrge soojusjuhtivusega teemant/ränikarbiidi komposiite. Võrreldes teemant-tugevdatud metallmaatrikskomposiitidega, on teemandil ja ränikarbiidil sarnane struktuur ning nende märguvus ja soojuspaisumine on palju paremad kui metallide ja teemandi omad.
02 Teemant/ränikarbiidi komposiitide valmistamisprotsessid
Teemant kaldub kõrgetel temperatuuridel grafitiseeruma; saadud grafiidil on oluliselt madalam soojusjuhtivus ja paindetugevus kui teemandil. Teemant/ränikarbiidi komposiitide edukaks valmistamiseks on oluline teemandi grafitimise tõhus kontroll. Kuna ränikarbiidi maatriksit ei saa otse teemanttoorikusse imbuda, saadakse ränikarbiidi maatriks tavaliselt räni-süsinik reaktsioonide kaudu. Teemant/ränikarbiidi komposiitide peamised tootmisprotsessid on ligikaudu järgmised.
(1) Kõrgsurve kõrgtemperatuuriline (HPHT) paagutamine
HPHT meetodi puhul segatakse teemantmikropulber ja puhas ränipulber põhjalikult ning seejärel allutatakse kõrgele temperatuurile ja kõrgele rõhule, et läbida in situ reaktsioon, moodustades ränikarbiidi, mille tulemusena saadakse teemant/ränikarbiidi komposiidid. Selle meetodi eeliseks on see, et kõrgsurve tingimustes ei toimu teemant märkimisväärset grafitiseerumist ja teemandiosakeste vahelisi lünki saab tõhusalt vähendada, luues suure teemandimahu ja suure tihedusega komposiite. Kõrgsurveprotsess nõuab aga kalleid seadmeid ja seab valmistatud komposiitide kujule olulisi piiranguid.
(2) Spark Plasma paagutamine (SPS)
SPS sarnaneb HPHT-ga selle poolest, et see paagutab ja tihendab tooriku kõrgel temperatuuril ja rõhul. Erinevus seisneb selles, et SPS kasutab suure energiaga elektrisädemeid, et tekitada pulbriosakeste vahel hetkeline tühjenemine, tekitades kõrge temperatuuriga plasma, mis eraldab suurel hulgal soojust. Seetõttu on SPS-il kiire kuumutuskiirus ja lühike paagutamisaeg. Lisaks on paagutamisrõhk SPS-is madalam kui HPHT-s.
(3) Kuumastaatiline pressimine (HIP)
HIP-protsessis asetatakse teemant- ja ränipulbrid suletud anumasse ja allutatakse kõikidest suundadest võrdsele rõhule, samal ajal kui paagutamine ja tihendamine viiakse lõpule kõrgendatud temperatuuridel. HIP töötab tavaliselt rõhul, mis jääb mitmesaja megapaskali vahemikku. Selle eelised hõlmavad madalamat paagutamisrõhku ja võimalust toota suuremaid mahtusid ja keeruka kujuga proove. Protsess on aga keeruline ja madala tootmistõhususega.
(4) Prekursori infiltratsioon ja pürolüüs (PIP)
PIP-meetodis kasutatakse ränikarbiidi lähteainet (polükarbosilaani), mida kuumutatakse ja pürolüüsitakse ränikarbiidi moodustamiseks, mis seejärel toimib teemandiosakesi omavahel siduva maatriksina. Selle protsessi eelised on madal paagutamistemperatuur, suuremahuliste või keeruka kujuga proovide võime ning komposiidis ei esine räni jääke. Kuid prekursori madala konversioonisaagise tõttu on tiheduse parandamiseks sageli vaja mitut tsüklit.
(5) Keemiliste aurude infiltratsioon (CVI)
CVI on suhteliselt kerge protsess; madalatel infiltratsioonitemperatuuridel püsivad teemandiosakesed stabiilsed ja välditakse grafitiseerumist. Võrreldes teiste tehnikatega saadakse ränikarbiidi faas materjali pinnale keemilise aurude sadestamise teel, nii et ränifaasi saab CVI protsessi käigus täielikult kõrvaldada. Selle meetodiga valmistatud komposiitidel on suhteliselt madal tihedus ja neid kasutatakse tavaliselt õhukeste lehtede proovide valmistamiseks.
(6) Reaktiivne infiltratsioon (RI)
RI on tihendusprotsess, mille käigus tahke aine sulatatakse kuumutamisel ja infiltreeritakse ettevalmistatud toorikusse. Sõltuvalt tugevduse ja maatriksi vahelisest märguvusest võib kasutada kas surveabiga või rõhuvaba infiltratsiooni.
Selle protsessi käigus segatakse teemandiosakesed ja grafiidipulber ühtlaselt, sideainena kasutatava vaiguga ning seejärel külm- või kuumpressitakse tooriku moodustamiseks. Seejärel viiakse toorik läbi sideaine eemaldamise ja pürolüüsi, et täielikult karboniseerida sideaine ja suurendada tooriku poorsust. Lõpuks viiakse räni infiltratsioon läbi kuumutamise teel vaakumis või inertses atmosfääris. Infiltratsiooni ajal reageerib vedel räni pürolüütilise süsiniku ja lisatud grafiidipulbriga, moodustades ränikarbiidi. Pärast süsiniku reaktsiooni lõppemist täidetakse tooriku ülejäänud poorid vedela räniga, mille tulemuseks on tihe teemant/ränikarbiidi komposiit. Võrreldes teiste protsessidega ei vaja RI keerulisi protseduure ega kalleid seadmeid; protsess on lihtne, kuid võimaldab komposiidi peaaegu võrgukujulist vormimist.