Ce factori afectează conductivitatea termică ridicată a produselor cu carbură de siliciu

Carbură de siliciu , SiC este utilizat pe scară largă în diverse domenii industriale datorită proprietăților sale fizice și chimice bune, în special conductivitatea termică ridicată îl face să funcționeze bine în situațiile în care este necesară disiparea căldurii. Materialele de carbon siliconat au avantajele conductivității termice ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate, rezistenței la uzură și rezistenței la coroziune și sunt utilizate pe scară largă în dispozitive electronice, schimbătoare de căldură, fabricarea semiconductoarelor și în alte domenii. Cu toate acestea, conductivitatea termică a carbonului siliconat nu este fixă ​​și este afectată de mulți factori. În cele ce urmează se vor analiza factorii care afectează conductivitatea termică ridicată a produselor din carbon siliconat din perspectiva structurii cristaline, purității materialelor, temperaturii, elementelor de dopaj și tehnologiei de procesare.

1. Influența structurii cristaline
Conductivitatea termică ridicată a carbonului siliconat este legată de structura sa cristalină unică. Există în principal două structuri cristaline de carbon siliconat: de tip α (structură hexagonală) și de tip β (structură cubică). La temperatura camerei, conductivitatea termică a carbonului siliconat de tip β este puțin mai mare decât cea a carbonului siliconat de tip α. Aranjamentul atomic al carbonului siliconat de tip β este mai compact, vibrația rețelei este mai ordonată, iar rezistența termică este redusă. Prin urmare, alegerea unei structuri cristaline adecvate poate îmbunătăți conductivitatea termică a materialului.
Cu toate acestea, în medii cu temperaturi ridicate, carbonul silicificat de tip α prezintă treptat o stabilitate termică mai bună. Deși conductivitatea sa termică este puțin mai mică la temperatura camerei, poate menține o conductivitate termică bună la temperaturi ridicate. Aceasta înseamnă că, în medii specifice de aplicație, este esențial să alegeți structura de cristal potrivită.

2. Influența purității materialelor
Conductivitatea termică a materialelor cu carbon silicificat este foarte dependentă de puritatea lor. Există mai puține impurități în cristalele de carbon silicificat cu puritate mai mare, iar împrăștierea vibrațiilor rețelei în timpul transferului de căldură este redusă, astfel încât conductivitatea termică este îmbunătățită. Dimpotrivă, impuritățile din material vor forma defecte ale rețelei, vor împiedica transferul de căldură și vor reduce eficiența conductibilității termice. Prin urmare, menținerea purității înalte a materialelor de carbon silicificat în timpul producției este crucială pentru a asigura o altă conductivitate termică ridicată.
Unele impurități reziduale, cum ar fi oxizii metalici sau alte substanțe amorfe, vor forma bariere termice la limitele granulelor de cristale de carbon silicificat, reducând semnificativ conductivitatea termică a materialului. Aceste impurități vor determina creșterea rezistenței termice la limitele granulelor, în special la temperaturi mai ridicate. Prin urmare, controlul strict al purității materiilor prime și a proceselor de producție este unul dintre pașii cheie pentru îmbunătățirea conductivității termice a carbonului silicificat.

3. Efectul temperaturii asupra conductivității termice
Temperatura este unul dintre factorii importanți care afectează conductivitatea termică a siliciurului de carbon. Pe măsură ce temperatura crește, vibrația rețelei din material va fi îmbunătățită, rezultând o împrăștiere crescută a fononilor, care va afecta conducția căldurii. În medii cu temperatură scăzută, conductivitatea termică a materialelor de siliciu de carbon este relativ ridicată, dar pe măsură ce temperatura crește, conductivitatea termică va scădea treptat.
Conductivitatea termică a siliciurului de carbon variază în diferite intervale de temperatură. În general, conductivitatea termică a siliciurului de carbon este mai proeminentă la temperaturi scăzute, dar atunci când temperatura depășește 1000 ° C, conductivitatea sa termică se va slăbi treptat. În ciuda acestui fapt, conductivitatea termică a siliciurului de carbon în medii cu temperaturi ridicate este încă mai bună decât majoritatea celorlalte materiale ceramice.

4. Efectul elementelor de dopaj
Pentru a optimiza conductivitatea termică a materialelor de siliciu de carbon, în industrie sunt introduse de obicei unele elemente de dopaj, care pot modifica structura cristalină și proprietățile electrice ale materialului, afectând astfel conductivitatea termică. De exemplu, dopajul cu elemente precum azotul sau aluminiul poate modifica conductivitatea termică a siliciurului de carbon.
Cu toate acestea, dopajul poate provoca și efecte negative. Dacă concentrația de dopaj este prea mare, defectele structurii cristaline cresc, iar atomii dopați interacționează cu atomii rețelei, rezultând o vibrație îmbunătățită a rețelei, o rezistență termică crescută și, în cele din urmă, o conductivitate termică redusă a materialului. Prin urmare, tipul și concentrația elementului de dopaj trebuie controlate cu precizie pentru a minimiza impactul negativ asupra conductivității termice, îmbunătățind în același timp alte proprietăți (cum ar fi conductivitatea electrică).

5. Influența tehnologiei de prelucrare
Procesul de fabricație a materialelor din carbon siliconat are un impact direct asupra conductivității lor termice. Diferite metode de producție, cum ar fi procesul de sinterizare, turnarea prin presare la cald și depunerea de vapori, vor afecta dimensiunea granulelor, densitatea și porozitatea materialului, toate acestea vor afecta conductivitatea termică.
De exemplu, materialele din carbon siliconat produse prin sinterizarea prin presare la cald au de obicei o densitate mai mare și mai puțini pori, căi mai scurte de conducere a căldurii și, prin urmare, o conductivitate termică mai bună. Materialele de carbon siliconat preparate folosind metode convenționale de sinterizare pot avea mai mulți pori și defecte microscopice, rezultând o rezistență termică crescută și o conductivitate termică redusă.