Jakie czynniki wpływają na wysoką przewodność cieplną produktów z węglika krzemu

Węglik krzemu SiC jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach przemysłu ze względu na swoje dobre właściwości fizyczne i chemiczne, a zwłaszcza wysoką przewodność cieplną, która sprawia, że ​​dobrze sprawdza się w sytuacjach, w których wymagane jest rozpraszanie ciepła. Silikonowane materiały węglowe mają zalety wysokiej przewodności cieplnej, odporności na wysoką temperaturę, odporności na zużycie i odporności na korozję i są szeroko stosowane w urządzeniach elektronicznych, wymiennikach ciepła, produkcji półprzewodników i innych dziedzinach. Jednakże przewodność cieplna silikonowanego węgla nie jest stała i wpływa na nią wiele czynników. Poniżej zostaną przeanalizowane czynniki wpływające na wysoką przewodność cieplną silikonowanych produktów węglowych z punktu widzenia struktury krystalicznej, czystości materiału, temperatury, elementów domieszkujących i technologii przetwarzania.

1. Wpływ struktury kryształu
Wysoka przewodność cieplna silikonowanego węgla związana jest z jego unikalną strukturą krystaliczną. Istnieją głównie dwie struktury krystaliczne krzemizowanego węgla: typu α (struktura sześciokątna) i typu β (struktura sześcienna). W temperaturze pokojowej przewodność cieplna silikonowanego węgla typu β jest nieco wyższa niż krzemizowanego węgla typu α. Układ atomowy silikonowanego węgla typu β jest bardziej zwarty, wibracje sieci są bardziej uporządkowane, a opór cieplny jest zmniejszony. Dlatego wybór odpowiedniej struktury krystalicznej może poprawić przewodność cieplną materiału.
Jednakże w środowiskach o wysokiej temperaturze krzemionkowy węgiel typu α stopniowo wykazuje lepszą stabilność termiczną. Chociaż jego przewodność cieplna jest nieco niższa w temperaturze pokojowej, może utrzymać dobrą przewodność cieplną w wysokich temperaturach. Oznacza to, że w określonych środowiskach zastosowań kluczowy jest wybór odpowiedniej struktury kryształu.

2. Wpływ czystości materiału
Przewodność cieplna krzemionkowych materiałów węglowych zależy w dużym stopniu od ich czystości. W krzemionkowych kryształach węgla o wyższej czystości jest mniej zanieczyszczeń, a rozpraszanie wibracji sieci podczas przenoszenia ciepła jest zmniejszone, co poprawia przewodność cieplną. Wręcz przeciwnie, zanieczyszczenia w materiale będą tworzyć defekty sieciowe, utrudniać przenoszenie przepływu ciepła i zmniejszać wydajność przewodności cieplnej. Dlatego utrzymanie wysokiej czystości krzemionkowych materiałów węglowych podczas produkcji ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia innej wysokiej przewodności cieplnej.
Niektóre resztkowe zanieczyszczenia, takie jak tlenki metali lub inne substancje amorficzne, utworzą bariery termiczne na granicach ziaren krzemionkowych kryształów węgla, znacznie zmniejszając przewodność cieplną materiału. Zanieczyszczenia te powodują wzrost oporu cieplnego na granicach ziaren, szczególnie w wyższych temperaturach. Dlatego ścisłe kontrolowanie czystości surowców i procesów produkcyjnych jest jednym z kluczowych kroków w kierunku poprawy przewodności cieplnej krzemionkowego węgla.

3. Wpływ temperatury na przewodność cieplną
Temperatura jest jednym z ważnych czynników wpływających na przewodność cieplną krzemku węgla. Wraz ze wzrostem temperatury wibracje sieci w materiale ulegną wzmocnieniu, co spowoduje zwiększone rozpraszanie fononów, co będzie miało wpływ na przewodzenie ciepła. W środowiskach o niskiej temperaturze przewodność cieplna materiałów z krzemku węgla jest stosunkowo wysoka, ale wraz ze wzrostem temperatury przewodność cieplna będzie stopniowo spadać.
Przewodność cieplna krzemku węgla zmienia się w różnych zakresach temperatur. Ogólnie rzecz biorąc, przewodność cieplna krzemku węgla jest bardziej widoczna w niskich temperaturach, ale gdy temperatura przekroczy 1000°C, jej przewodność cieplna będzie stopniowo słabnąć. Mimo to przewodność cieplna krzemku węgla w środowiskach o wysokiej temperaturze jest nadal lepsza niż w przypadku większości innych materiałów ceramicznych.

4. Wpływ elementów dopingujących
Aby zoptymalizować przewodność cieplną materiałów z krzemku węgla, w przemyśle zwykle wprowadza się pewne elementy domieszkujące, które mogą zmieniać strukturę krystaliczną i właściwości elektryczne materiału, wpływając w ten sposób na przewodność cieplną. Na przykład domieszkowanie pierwiastkami takimi jak azot lub aluminium może zmienić przewodność cieplną krzemku węgla.
Jednak doping może powodować również negatywne skutki. Jeśli stężenie domieszkowania jest zbyt wysokie, defekty w strukturze kryształu nasilają się, a domieszkowane atomy oddziałują z atomami sieci, co skutkuje zwiększonymi drganiami sieci, zwiększeniem oporu cieplnego i ostatecznie zmniejszoną przewodnością cieplną materiału. Dlatego też rodzaj i stężenie pierwiastka domieszkującego muszą być precyzyjnie kontrolowane, aby zminimalizować negatywny wpływ na przewodność cieplną, jednocześnie poprawiając inne właściwości (takie jak przewodność elektryczna).

5. Wpływ technologii przetwarzania
Proces produkcji silikonowanych materiałów węglowych ma bezpośredni wpływ na ich przewodność cieplną. Różne metody produkcji, takie jak proces spiekania, prasowanie na gorąco i osadzanie z fazy gazowej, będą miały wpływ na wielkość ziaren, gęstość i porowatość materiału, a wszystko to będzie miało wpływ na przewodność cieplną.
Na przykład silikonowane materiały węglowe wytwarzane przez spiekanie przez prasowanie na gorąco mają zwykle większą gęstość i mniej porów, krótsze ścieżki przewodzenia ciepła, a zatem lepszą przewodność cieplną. Silikonowane materiały węglowe przygotowane konwencjonalnymi metodami spiekania mogą mieć więcej porów i mikroskopijnych defektów, co skutkuje zwiększoną odpornością termiczną i zmniejszoną przewodnością cieplną.