Aké faktory ovplyvňujú vysokú tepelnú vodivosť produktov z karbidu kremíka

Karbid kremíka SiC je široko používaný v rôznych priemyselných oblastiach vďaka svojim dobrým fyzikálnym a chemickým vlastnostiam, najmä vďaka vysokej tepelnej vodivosti, vďaka čomu funguje dobre v prípadoch, keď je potrebný odvod tepla. Silikónizované uhlíkové materiály majú výhody vysokej tepelnej vodivosti, vysokej teplotnej odolnosti, odolnosti proti opotrebovaniu a korózii a sú široko používané v elektronických zariadeniach, výmenníkoch tepla, výrobe polovodičov a iných oblastiach. Tepelná vodivosť silikonizovaného uhlíka však nie je fixná a je ovplyvnená mnohými faktormi. Ďalej budú analyzované faktory, ktoré ovplyvňujú vysokú tepelnú vodivosť produktov zo silikónovaného uhlíka z pohľadu kryštálovej štruktúry, čistoty materiálu, teploty, dopingových prvkov a technológie spracovania.

1. Vplyv kryštálovej štruktúry
Vysoká tepelná vodivosť silikonizovaného uhlíka súvisí s jeho jedinečnou kryštálovou štruktúrou. Existujú hlavne dve kryštálové štruktúry silikonizovaného uhlíka: α-typ (hexagonálna štruktúra) a β-typ (kubická štruktúra). Pri izbovej teplote je tepelná vodivosť silikónovaného uhlíka typu β o niečo vyššia ako tepelná vodivosť silikónovaného uhlíka typu α. Atómové usporiadanie silikónovaného uhlíka typu β je kompaktnejšie, vibrácie mriežky sú usporiadanejšie a tepelný odpor je znížený. Preto výber vhodnej kryštálovej štruktúry môže zlepšiť tepelnú vodivosť materiálu.
V prostredí s vysokou teplotou však kremičitý uhlík typu α postupne vykazuje lepšiu tepelnú stabilitu. Hoci je jeho tepelná vodivosť pri izbovej teplote o niečo nižšia, dokáže si udržať dobrú tepelnú vodivosť pri vysokých teplotách. To znamená, že v špecifických aplikačných prostrediach je rozhodujúce zvoliť správnu kryštálovú štruktúru.

2. Vplyv materiálovej čistoty
Tepelná vodivosť kremičitých uhlíkových materiálov veľmi závisí od ich čistoty. V kryštáloch kremičitého uhlíka s vyššou čistotou je menej nečistôt a znižuje sa rozptyl vibrácií mriežky pri prenose tepla, takže sa zlepšuje tepelná vodivosť. Naopak, nečistoty v materiáli budú vytvárať mriežkové defekty, brániť prenosu tepelného toku a znižovať účinnosť tepelnej vodivosti. Preto je udržiavanie vysokej čistoty kremičitých uhlíkových materiálov počas výroby kľúčové pre zabezpečenie ďalšej vysokej tepelnej vodivosti.
Niektoré zvyškové nečistoty, ako sú oxidy kovov alebo iné amorfné látky, vytvoria tepelné bariéry na hraniciach zŕn kryštálov kremičitého uhlíka, čím sa výrazne zníži tepelná vodivosť materiálu. Tieto nečistoty spôsobia zvýšenie tepelného odporu na hraniciach zŕn, najmä pri vyšších teplotách. Preto je prísna kontrola čistoty surovín a výrobných procesov jedným z kľúčových krokov na zlepšenie tepelnej vodivosti kremičitého uhlíka.

3. Vplyv teploty na tepelnú vodivosť
Teplota je jedným z dôležitých faktorov ovplyvňujúcich tepelnú vodivosť silicidu uhlíka. Keď sa teplota zvýši, vibrácie mriežky v materiáli sa zvýšia, čo vedie k zvýšenému rozptylu fonónov, čo ovplyvní vedenie tepla. V prostredí s nízkou teplotou je tepelná vodivosť uhlíkových silicidových materiálov relatívne vysoká, ale so zvyšujúcou sa teplotou sa tepelná vodivosť postupne znižuje.
Tepelná vodivosť silicidu uhlíka sa mení v rôznych teplotných rozsahoch. Všeobecne povedané, tepelná vodivosť silicidu uhlíka je výraznejšia pri nízkych teplotách, ale keď teplota presiahne 1000 °C, jeho tepelná vodivosť bude postupne slabnúť. Napriek tomu je tepelná vodivosť silicidu uhlíka v prostredí s vysokou teplotou stále lepšia ako väčšina iných keramických materiálov.

4. Vplyv dopingových prvkov
Aby sa optimalizovala tepelná vodivosť materiálov silicidu uhlíka, v priemysle sa zvyčajne zavádzajú niektoré dopovacie prvky, ktoré môžu zmeniť kryštálovú štruktúru a elektrické vlastnosti materiálu, a tým ovplyvniť tepelnú vodivosť. Napríklad dopovanie prvkami, ako je dusík alebo hliník, môže zmeniť tepelnú vodivosť silicidu uhlíka.
Doping však môže spôsobiť aj negatívne účinky. Ak je koncentrácia dopingu príliš vysoká, defekty v kryštálovej štruktúre sa zväčšujú a dopované atómy interagujú s atómami mriežky, čo vedie k zvýšenej vibrácii mriežky, zvýšenému tepelnému odporu a v konečnom dôsledku zníženej tepelnej vodivosti materiálu. Preto je potrebné presne kontrolovať typ a koncentráciu dopingového prvku, aby sa minimalizoval negatívny vplyv na tepelnú vodivosť pri súčasnom zlepšení iných vlastností (ako je elektrická vodivosť).

5. Vplyv technológie spracovania
Výrobný proces silikónovaných uhlíkových materiálov má priamy vplyv na ich tepelnú vodivosť. Rôzne výrobné metódy, ako je proces spekania, lisovanie za tepla a nanášanie pár, ovplyvnia veľkosť zŕn, hustotu a pórovitosť materiálu, čo všetko ovplyvní tepelnú vodivosť.
Napríklad silikonizované uhlíkové materiály vyrobené lisovaním za tepla spekaním majú zvyčajne vyššiu hustotu a menej pórov, kratšie dráhy vedenia tepla, a teda lepšiu tepelnú vodivosť. Silikonizované uhlíkové materiály pripravené konvenčnými metódami spekania môžu mať viac pórov a mikroskopických defektov, čo má za následok zvýšený tepelný odpor a zníženú tepelnú vodivosť.