Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 12 Анизотропия теплопроводности и удельного электросопротивления биоморфного композита SiC/Si, полученного на основе биоуглеродной матрицы белого эвкалипта й Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, H. Misiorek, J. Mucha, A. Jezowski, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Trzebiatowski Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, 50Ц950 Wroclaw, Poland Universidad de Sevilla, 41080 Sevilla, Spain E-mail: igor.smirnov@mail.ioffe.ru smir.bi@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 11 апреля 2006 г.) В интервале температур 5Ц300 K измерены теплопроводность и удельное электросопротивление экокерамики канального типа Ч биоморфного композита SiC/Si, приготовленного на основе канальной биоуглеродной матрицы, полученной из дерева белого эвкалипта с помощью пиролиза в атмосфере аргона, с последующей инфильтрацией в сквозные каналы биоуглеродной матрицы расплавленного Si. Исследованы образцы с концентрацией Si 30 vol.%. Температурные зависимости (T ) и (T ) измерялись на образцах, вырезанных параллельно и перпендикулярно оси роста дерева. Приводятся данные об анизотропии (T ).

С использованием результатов для (T ) и (T ) настоящей работы и литературных данных обсуждается поведение этих параметров в биоморфном композите SiC/Si в зависимости от концентрации в нем Si.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-03-33183), программы Президиума РАН (П-03) и Министерства науки и технологии Испании (проект МАТ 2003-05202-С02-01).

PACS: 81.05.Zx, 65.90.+i, 72.80.Tm Биоморфные композиты SiC/Si, которые в литературе свойств [1,3Ц5]. Мы провели ряд измерений некоторых называются также экокерамикой, в последние годы вы- основных физических характеристик этих композитов:

звали большой интерес у технологов, физиков и инжене- удельного электросопротивления [6,7], теплопроводности [8], коэффициента линейного расширения [9], терморов после обнаружения в этих материалах интересных эдс [7], эффекта Холла [7]. Вработах [6,7,9] рассматривафизических свойств и весьма заманчивых перспектив лась анизотропия поведения в SiC/Si удельного электродля их практического применения [1]. Биоморфные комсопротивления и коэффициента линейного расширения.

позиты конструируются на основе ДканальныхУ углеродАнизотропия теплопроводности биоморфной кераминых матриц, получаемых путем пиролиза (обугливания) ки SiC/Si ранее не исследовалась. В основном этому различных сортов дерева (сосны, эвкалипта, манго, дуба, вопросу и посвящена настоящая работа.

бука, клена и др.), с последующей инфильтрацией в При этом в процессе проведения работы предполапустые сквозные каналы этих матриц (с диаметрами кагалось: 1) оценить величину анизотропии теплопроводналов от 4 до 100 m) расплавленного Si. После хиности в искусственно анизотропном объекте Ч биомической реакции Si с углеродной матрицей образуется морфном композите 3C-SiC/Si, полученном на основе композит SiC/Si, в котором могут остаться также небольбиоуглеродной матрицы белого эвкалипта, и попытаться шие островки не вступившего в реакцию с Si углерода.

объяснить наблюдающийся в нем разброс значений для Композиты в зависимости от технологии их приготовлевеличины анизотропии удельного электросопротивления и сорта дерева образуют индивидуальные ячеистые ния; 2) оценить влияние Si в 3C-SiC/Si на величину его (канальные) структуры. При этом основная масса комудельного электросопротивления и теплопроводности.

позита состоит из SiC, а вытянутые в направлении роста дерева каналы частично или полностью заполнены Si.

Некоторые из этих каналов могут оставаться пустыми.

1. Приготовление образцов Таким образом, в процессе приготовления композита и их идентификация образуется искусственный анизотропный материал [2].

В последние годы исследования биоморфных ком- Образцы биоморфного композита SiC/Si были пригопозитов SiC/Si были сконцентрированы главным об- товлены путем инфильтрации в вакууме расплавленного разом на изучении их структурных и механических Si в углеродную канальную матрицу дерева белого 2158 Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, H. Misiorek, J. Mucha, A. Jezowski...

эвкалипта, полученную в результате его пиролиза в соответственно по формулам (1) [12,13] и (2) [14] атмосфере аргона при 1000C [1].

0 =(1 - p), (1) После инфильтрации из готового бруска биоморфного композита SiC/Si вырезались образцы в виде парал = (1 - p) 1 - p, (2) лепипедов размером 3 3 15 mm. Длинные стороны где 0 и Ч удельное электросопротивление и теплоразличных образцов были направлены параллельно или проводность безпористого материала; и Ч значения, перпендикулярно оси роста дерева. На этих образцах полученные на эксперименте без учета пористости испри 300 K были проведены микроструктурные и рентследованных образцов; а p Ч величина пористости. Как геноструктурные исследования и измерена их плототмечалось выше, для исследованных нами образцов она ность.

была равна 0.13.

Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа Philips XL30, были 3. Обсуждение результатов подобны микрофотографиям, приведенным в работе [3], а дифрактометрические кривые интенсивности, измерен3.1. Анизотропия теплопроводности бионые на аппарате ДРОН-2 (CuK-излучение), аналогичны морфного композита 3C-SiC/Si. На рис. полученным в работе [8].

(кривая 1) приведена рассчитанная по представленным Рентгенограмма биоморфного композита SiC/Si дает на рис. 1 данным величина анизотропии теплопроводдифрационную картину смеси кубического 3C-SiC (параметр решетки a = 4.358 ) и Si (a = 5.430 ). Обе фазы хорошо сформированы. Содержание кремния в образце SiC/Si по рентгенометрической оценке данных для образцов композита и кремния составляет 30 vol.%.

На основании электронно-микроскопических измерений на большом числе образцов углеродной матрицы белого эвкалипта было установлено [10], что небольшие поры (отвечающие среднему диаметру каналов 4 m) и большие поры (отвечающие среднему диаметру каналов 62.5 m) занимают в ней соответственно 29 и 14% от общего объема образца. Таким образом, пористость исследованных образцов композитов 3C-SiC/Si составляла 13 vol.%.

2. Экспериментальные результаты Теплопроводности (T ), (T ) и удельные электро сопротивления (T ) и (T ) образцов биоморфного композита 3C-SiC/Si, вырезанных соответственно параллельно и перпендикулярно направлению роста дерева, были измерены в интервале 5Ц300 K на установке, аналогичной использованной в [11]. Полученные результаты представлены на рис. 1 и 2. На вставках на этих рисунках для наглядности приведены соответствующие идеализированные схемы биоморфного композита SiC/Si.

Из-за достаточно больших величин (T ) и (T ) и малости вследствие этого электронных составляющих теплопроводности полученные на эксперименте Рис. 1. Температурные зависимости фононной теплопровод (T ) и (T ) фактически являются теплопроводностя- ности образцов биоморфного композита 3C-SiC/Si с кон центрацией Si 30 vol.%. 1 и 2 Ч соответственно измерения ми кристаллической решетки (фононными теплопроводна образцах, вырезанных параллельно ( ) и перпендикулярно ностями).

( ) оси роста дерева. Данные для (T ) и (T ) приведены Данные для (T ), (T ), (T ) и (T ) приведены без учета пористости образцов. На вставке A представлены на рис. 1 и 2 без учета пористости исследованных низкотемпературные данные. На вставках к кривым 1 и образцов. При дальнейшей обработке полученных экспепоказаны идеализированные схемы строения исследованных риментальных данных для удельного электросопротивобразцов. Q Ч направление распространения теплового поления и теплопроводности учет пористости проводился тока при измерении теплопроводности.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Анизотропия теплопроводности и удельного электросопротивления биоморфного композита SiC/Si... дислокаций, имеющих преимущественную ориентацию в направлении роста образцов.

Наблюдаемую нами анизотропию теплопроводности в искусственно анизотропном объекте Ч биоморфном композите 3C-SiC/Si Ч можно также попытаться связать с наличием протяженных ДанизотропныхУ дефектов Ч дислокаций несоответствия [16,17], которые могут возникать в композите на границе между 3C-SiC и Si. Кроме того, обнаруженная анизотропия может быть обусловлена и особенностями фононных спектров 3C-SiC и Si, возникающих на границах раздела этих материалов в композите 3C-SiC/Si [18].

При исследовании анизотропии удельного электросопротивления = / и интерпретации полученных результатов мы столкнулись с некоторыми трудностями. Величина существенно менялась от образца к образцу у исследованных биоморфных композитов 3C-SiC/Si. Так, например, в композите, полученном на основе биоуглеродной матрицы дерева сапели, при 300 K изменялась от 1.33 до 5.7 [6] (хотя при этом наблюдалась некоторая закономерность изменения от величины концентрации Si в композите 3C-SiC/Si). Уряда исследованных нами образцов композита 3C-SiC/Si, полученных на основе биоуглеродной матрицы дерева белого эвкалипта, при 300 K изменялась от 1.3 [7] до 10 и более (при этом корреляции с концентрацией Si в композите не наблюдалось). По данным настоящей работы, величина исследованных в ней образцов почти Рис. 2. Температурная зависимость удельного электросопродля всего интервала температур равна 2 (рис. 2).

тивления образцов биоморфного композита 3C-SiC/Si с конТакого большого разброса значений для в провецентрацией Si 30 vol.%. a и b Ч соответственно измерения денных нами измерениях теплопроводности различных на образцах, вырезаннах параллельно ( ) и перпендикулярно () оси роста дерева. Данные для и приведены обрaзцов биокомпозита 3C-SiC/Si не наблюдалось.

без учета пористости образцов. На вставках представлены В чем же заключается возможная причина наблюидеализированные схемы строения исследованных образцов.

даемого достаточно большого разброса данных для I Ч направление распространения тока при измерении (T ) композита 3C-SiC/Si Попытаемся хотя бы качественно и (T ).

понять это.

ности = (T )/ (T ) биоморфного композита 3C SiC/Si (c концентрацией Si 30 vol.%), полученного на основе биоуглеродной матрицы дерева белого эвкалипта.

Видно, что уменьшается с повышением температуры от 1.6 (при 50 K) до 1.2 (при 300 K). При этом следует отметить, что в искусственно анизотропном объекте Ч биоморфном композите 3C-SiC/Si Чоба материала, образующие композит, относятся к кубическим модификациям.

Подобный эффект в изменении наблюдался ранее в [15] при исследовании теплопроводности сильно текстурированных поликристаллических образцов ZnS, ZnSe и CdTe с кубической структурой и зернами, вытянутыми в направлении оси роста кристаллов (криРис. 3. Температурная зависимость коэффициента анизотровая 2 на рис. 3). Обнаруженную анизотропию теплопии теплопроводности (T )/ (T ) (1) для образцов био проводности в этих сильно текстурированных образцах морфного композита 3C-SiC/Si с концентрацией Si 30 vol.%.

авторы [15] связали с наличием в них специфически 2 Ч данные для анизотропии теплопроводности текстурироДанизотропныхУ протяженных дефектов Ч винтовых ванных образцов CdTe [15].

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2160 Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, H. Misiorek, J. Mucha, A. Jezowski...

Проведем сначала расчетную оценку величин и для исследованных образцов биоморфного композита 3C-SiC/Si с помощью формул (3) и (4), полученных в [2] для искусственно анизотропных материалов с идеальной структурой, представленной на вставках к рис. 1 и 2, =(n + 1)(1/1 + n/2)-1, (3) =(1 + n2)(n + 1)-1, (4) где n = dSi/dSiC (рис. 2, a) а 1 и 2 Ч соответственно удельные электросопротивления 3C-SiC и Si в биоморфном композите 3C-SiC/Si.

Оценим с помощью экспериментальных значений для (рис. 2, a) и формулы (3) параметр n, определим с c его помощью по формуле (4) расчетную величину и сравним ее с экспериментальными значениями (рис. 2, b). Расчеты проведем для температуры 300 K.

При этом будем использовать данные и для Рис. 4. Более близкая к реальности (по сравнению с идеаликомпозита и 1 [19], полученные с учетом пористости зированной, рис. 1) схема строения биоморфного композита образцов по формуле (1).

3C-SiC/Si для случая измерения (T ) и (T ). I и Q Ч В расчетах полагалось, что при 300 K 1 равно соответственно направления тока и теплового потока при измерении (T ) и (T ). I1 Ч один из возможных гипотети 0.70 cm [19], а 2 2 10-3 cm [20]. Значения ческих путей распространения тока в исследованном образце для 1 3С-SiC получено в [19] на образце биокомпозибиоморфного композита.

та 3C-SiC после удаления из него химическим путем кремния. Полученный таким образом карбид кремния в отличие от синтетического SiC будем в дальнейшем называть био-3C-SiC.

в каналах биокомпозита, и его основной каркас, состояc В результате проведенных расчетов n и по формущий из био-3C-SiC.

ам (3) и (4) получены следующие результаты: n = 0.c 2) Значительное различие в величинах и полуc и 0.52 cm.

ченных на эксперименте может явиться ключом к Если считать, что средние диаметры каналов, заполпониманию отмеченного выше большого разброса от ненных Si в биокомпозите 3C-SiC-Si (dSi, рис. 2, a), приобразца к образцу значений = / в биоморфных готовленном на основе биоуглеродной матрицы белого композитах 3C-SiC/Si. По-видимому, оба этих эффекта эвкалипта, как отмечалось выше, 62.5 m [10], то имеют одну и ту же природу.

слой био-3C-SiC (dSiC, рис. 2, a) в идеальной структуОбсудим более детально второй вывод. Как предре рассматриваемого композита будет равен 189 m.

ставляется, причины обнаруженных аномалий могут Такая величина для среднего размера dSiC по сечению заключаться в более сложной структуре биоморфных образца в композите на основе биоуглеродной матрицы композитов.

белого эвкалипта вполне реальна (см. микрофотографии, Идеальной картины композита, представленной на полученные в сканирующем электронном микроскопе вставках к рис. 1 и 2, конечно, не существует. В доструктур белого эвкалипта, представленные на рис. 1 в статочно рыхлом дереве, вероятно, имеются более работе [3]).

тонкие каналы, которые соединяют между собой тоСущественное различие наблюдается в величинах расc стые продольные каналы в дереве (будем называть их четного и, полученного в эксперименте. ЭксДбоковымиУ каналами). При инфильтрации кремния в периментальное значение составляет 0.023 cm c биоматрицу он заполняет как основные (ДтолстыеУ), так (рис. 2, b), а, как отмечалось выше, равно и ДбоковыеУ (тонкие) каналы. На рис. 4 представлена 0.52 cm.

схема такой более сложной структуры биокомпозита.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам