Hvilke faktorer påvirker den høje termiske ledningsevne af siliciumcarbidprodukter

Siliciumcarbid SiC er meget udbredt i forskellige industrielle områder på grund af dets gode fysiske og kemiske egenskaber, især dets høje termiske ledningsevne gør, at det fungerer godt i tilfælde, hvor varmeafledning er påkrævet. Silikoniserede kulstofmaterialer har fordelene ved høj termisk ledningsevne, høj temperaturbestandighed, slidstyrke og korrosionsbestandighed og er meget udbredt i elektroniske enheder, varmevekslere, halvlederfremstilling og andre områder. Den termiske ledningsevne af silikoniseret kul er dog ikke fast, og den påvirkes af mange faktorer. Det følgende vil analysere de faktorer, der påvirker den høje termiske ledningsevne af silikoniserede kulstofprodukter ud fra perspektiverne af krystalstruktur, materialerenhed, temperatur, dopingelementer og procesteknologi.

1. Indflydelse af krystalstruktur
Den høje termiske ledningsevne af silikoniseret kulstof er relateret til dets unikke krystalstruktur. Der er hovedsageligt to krystalstrukturer af silikoniseret carbon: α-type (sekskantet struktur) og β-type (kubisk struktur). Ved stuetemperatur er den termiske ledningsevne af β-type silikoniseret carbon lidt højere end den for α-type silikoniseret carbon. Atomarrangementet af β-type silikoniseret carbon er mere kompakt, gittervibrationen er mere velordnet, og den termiske modstand reduceres. Derfor kan valg af en passende krystalstruktur forbedre materialets varmeledningsevne.
I miljøer med høje temperaturer viser α-type silicificeret carbon dog gradvist bedre termisk stabilitet. Selvom dens varmeledningsevne er lidt lavere ved stuetemperatur, kan den opretholde god varmeledningsevne ved høje temperaturer. Det betyder, at det i specifikke applikationsmiljøer er afgørende at vælge den rigtige krystalstruktur.

2. Indflydelse af materialets renhed
Den termiske ledningsevne af silicificerede kulstofmaterialer er meget afhængig af deres renhed. Der er færre urenheder i silicificerede kulstofkrystaller med højere renhed, og spredningen af ​​gittervibrationer under varmeoverførsel reduceres, så den termiske ledningsevne forbedres. Tværtimod vil urenheder i materialet danne gitterdefekter, hindre overførslen af ​​varmestrømning og reducere termisk ledningsevneeffektivitet. Derfor er det afgørende at opretholde den høje renhed af silicificerede kulstofmaterialer under produktionen for at sikre anden høj varmeledningsevne.
Nogle resterende urenheder, såsom metaloxider eller andre amorfe stoffer, vil danne termiske barrierer ved korngrænserne for silicificerede kulkrystaller, hvilket reducerer materialets varmeledningsevne betydeligt. Disse urenheder vil få den termiske modstand ved korngrænserne til at stige, især ved højere temperaturer. Derfor er streng kontrol med renheden af ​​råmaterialer og produktionsprocesser et af nøgletrinene for at forbedre den termiske ledningsevne af silicificeret kul.

3. Temperaturens indvirkning på termisk ledningsevne
Temperatur er en af ​​de vigtige faktorer, der påvirker den termiske ledningsevne af kulsilicid. Når temperaturen stiger, vil gittervibrationen i materialet blive forstærket, hvilket resulterer i øget fononspredning, hvilket vil påvirke varmeledningen. I miljøer med lav temperatur er den termiske ledningsevne af kulsilicidmaterialer relativt høj, men efterhånden som temperaturen stiger, vil den termiske ledningsevne gradvist falde.
Den termiske ledningsevne af kulsilicid varierer i forskellige temperaturområder. Generelt er den termiske ledningsevne af kulsilicid mere fremtrædende ved lave temperaturer, men når temperaturen overstiger 1000°C, vil dens varmeledningsevne gradvist svækkes. På trods af dette er den termiske ledningsevne af kulsilicid i højtemperaturmiljøer stadig bedre end de fleste andre keramiske materialer.

4. Effekt af dopingelementer
For at optimere den termiske ledningsevne af kulsilicidmaterialer indføres der sædvanligvis nogle dopingelementer i industrien, som kan ændre materialets krystalstruktur og elektriske egenskaber og derved påvirke den termiske ledningsevne. For eksempel kan doping med elementer som nitrogen eller aluminium ændre kulstofsilicidets varmeledningsevne.
Dog kan doping også have negative effekter. Hvis dopingkoncentrationen er for høj, øges defekterne i krystalstrukturen, og de doterede atomer interagerer med gitteratomerne, hvilket resulterer i øget gittervibration, øget termisk modstand og i sidste ende reduceret termisk ledningsevne af materialet. Derfor skal typen og koncentrationen af ​​dopingelementet kontrolleres præcist for at minimere den negative indvirkning på termisk ledningsevne, mens andre egenskaber (såsom elektrisk ledningsevne) forbedres.

5. Indflydelse af procesteknologi
Fremstillingsprocessen af ​​silikoniserede kulstofmaterialer har en direkte indvirkning på deres varmeledningsevne. Forskellige produktionsmetoder såsom sintringsproces, varmpresning og dampaflejring vil påvirke materialets kornstørrelse, tæthed og porøsitet, som alle vil påvirke varmeledningsevnen.
For eksempel har silikoniserede kulstofmaterialer fremstillet ved varmpressende sintring sædvanligvis højere tæthed og færre porer, kortere varmeledningsveje og derfor bedre termisk ledningsevne. Silikoniserede kulstofmaterialer fremstillet ved hjælp af konventionelle sintringsmetoder kan have flere porer og mikroskopiske defekter, hvilket resulterer i øget termisk modstand og reduceret termisk ledningsevne.