Hvilke faktorer påvirker den høye varmeledningsevnen til silisiumkarbidprodukter

Silisiumkarbid SiC er mye brukt i ulike industrielle områder på grunn av dets gode fysiske og kjemiske egenskaper, spesielt dens høye varmeledningsevne gjør at det fungerer godt i anledninger der varmeavledning er nødvendig. Silikoniserte karbonmaterialer har fordelene med høy termisk ledningsevne, høy temperaturbestandighet, slitestyrke og korrosjonsmotstand, og er mye brukt i elektroniske enheter, varmevekslere, halvlederproduksjon og andre felt. Imidlertid er den termiske ledningsevnen til silikonisert karbon ikke fast, og den påvirkes av mange faktorer. Det følgende vil analysere faktorene som påvirker den høye termiske ledningsevnen til silikoniserte karbonprodukter fra perspektivene krystallstruktur, materialrenhet, temperatur, dopingelementer og prosesseringsteknologi.

1. Påvirkning av krystallstruktur
Den høye termiske ledningsevnen til silikonisert karbon er relatert til dets unike krystallstruktur. Det er hovedsakelig to krystallstrukturer av silikonisert karbon: α-type (heksagonal struktur) og β-type (kubisk struktur). Ved romtemperatur er den termiske ledningsevnen til β-type silikonisert karbon litt høyere enn for α-type silikonisert karbon. Atomarrangementet av β-type silikonisert karbon er mer kompakt, gittervibrasjonen er mer ryddig, og den termiske motstanden reduseres. Derfor kan valg av en passende krystallstruktur forbedre materialets varmeledningsevne.
I miljøer med høye temperaturer viser imidlertid α-type silisifisert karbon gradvis bedre termisk stabilitet. Selv om dens varmeledningsevne er litt lavere ved romtemperatur, kan den opprettholde god varmeledningsevne ved høye temperaturer. Dette betyr at i spesifikke applikasjonsmiljøer er det avgjørende å velge riktig krystallstruktur.

2. Påvirkning av materialrenhet
Den termiske ledningsevnen til silisifiserte karbonmaterialer er svært avhengig av deres renhet. Det er færre urenheter i silisifiserte karbonkrystaller med høyere renhet, og spredningen av gittervibrasjoner under varmeoverføring reduseres, slik at den termiske ledningsevnen forbedres. Tvert imot vil urenheter i materialet danne gitterdefekter, hindre overføring av varmestrøm og redusere termisk ledningsevneeffektivitet. Derfor er det avgjørende å opprettholde den høye renheten til silisifiserte karbonmaterialer under produksjonen for å sikre annen høy varmeledningsevne.
Noen gjenværende urenheter, som metalloksider eller andre amorfe stoffer, vil danne termiske barrierer ved korngrensene til silisifiserte karbonkrystaller, noe som reduserer materialets varmeledningsevne betydelig. Disse urenhetene vil føre til at den termiske motstanden ved korngrensene øker, spesielt ved høyere temperaturer. Derfor er streng kontroll av renheten til råvarer og produksjonsprosesser et av nøkkeltrinnene for å forbedre den termiske ledningsevnen til silisifisert karbon.

3. Effekt av temperatur på termisk ledningsevne
Temperatur er en av de viktige faktorene som påvirker den termiske ledningsevnen til karbonsilisid. Etter hvert som temperaturen øker, vil gittervibrasjonen i materialet forsterkes, noe som resulterer i økt fononspredning, noe som vil påvirke ledning av varme. I miljøer med lav temperatur er den termiske ledningsevnen til karbonsilicidmaterialer relativt høy, men etter hvert som temperaturen øker, vil varmeledningsevnen gradvis avta.
Den termiske ledningsevnen til karbonsilisid varierer i forskjellige temperaturområder. Generelt sett er den termiske ledningsevnen til karbonsilisid mer fremtredende ved lave temperaturer, men når temperaturen overstiger 1000°C, vil dens varmeledningsevne gradvis svekkes. Til tross for dette er den termiske ledningsevnen til karbonsilicid i høytemperaturmiljøer fortsatt bedre enn de fleste andre keramiske materialer.

4. Effekt av dopingelementer
For å optimere den termiske ledningsevnen til karbonsilisidmaterialer, introduseres vanligvis noen dopingelementer i industrien, som kan endre krystallstrukturen og de elektriske egenskapene til materialet, og dermed påvirke den termiske ledningsevnen. For eksempel kan doping med elementer som nitrogen eller aluminium endre den termiske ledningsevnen til karbonsilicid.
Men doping kan også gi negative effekter. Hvis dopingkonsentrasjonen er for høy, øker defektene i krystallstrukturen, og de dopede atomene samhandler med gitteratomene, noe som resulterer i økt gittervibrasjon, økt termisk motstand og til slutt redusert varmeledningsevne til materialet. Derfor må typen og konsentrasjonen til dopingelementet kontrolleres nøyaktig for å minimere den negative påvirkningen på termisk ledningsevne samtidig som andre egenskaper (som elektrisk ledningsevne) forbedres.

5. Påvirkning av prosessteknologi
Produksjonsprosessen av silikoniserte karbonmaterialer har en direkte innvirkning på deres varmeledningsevne. Ulike produksjonsmetoder som sintringsprosess, varmpressing og dampavsetning vil påvirke kornstørrelsen, tettheten og porøsiteten til materialet, som alle vil påvirke varmeledningsevnen.
For eksempel har silikoniserte karbonmaterialer produsert ved varmpressende sintring vanligvis høyere tetthet og færre porer, kortere varmeledningsveier og derfor bedre termisk ledningsevne. Silikoniserte karbonmaterialer fremstilt ved bruk av konvensjonelle sintringsmetoder kan ha flere porer og mikroskopiske defekter, noe som resulterer i økt termisk motstand og redusert varmeledningsevne.