Какие факторы влияют на высокую теплопроводность изделий из карбида кремния

Карбид кремния Карбид кремния широко используется в различных областях промышленности благодаря своим хорошим физическим и химическим свойствам, особенно благодаря высокой теплопроводности, что позволяет ему хорошо работать в тех случаях, когда требуется отвод тепла. Силиконизированные углеродные материалы обладают преимуществами высокой теплопроводности, высокой термостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости и широко используются в электронных устройствах, теплообменниках, производстве полупроводников и других областях. Однако теплопроводность силиконизированного углерода не фиксирована и на нее влияет множество факторов. Ниже будут проанализированы факторы, которые влияют на высокую теплопроводность силиконизированных углеродных продуктов с точки зрения кристаллической структуры, чистоты материала, температуры, легирующих элементов и технологии обработки.

1. Влияние кристаллической структуры
Высокая теплопроводность силиконизированного углерода связана с его уникальной кристаллической структурой. Существуют в основном две кристаллические структуры силиконизированного углерода: α-тип (гексагональная структура) и β-тип (кубическая структура). При комнатной температуре теплопроводность силиконизированного углерода β-типа несколько выше, чем у силиконизированного углерода α-типа. Атомное расположение силиконизированного углерода β-типа более компактно, колебания решетки более упорядочены, термическое сопротивление снижено. Следовательно, выбор подходящей кристаллической структуры может улучшить теплопроводность материала.
Однако в условиях высоких температур силикатизированный углерод α-типа постепенно демонстрирует лучшую термическую стабильность. Хотя его теплопроводность немного ниже при комнатной температуре, он может сохранять хорошую теплопроводность при высоких температурах. Это означает, что в конкретных условиях применения крайне важно выбрать правильную кристаллическую структуру.

2. Влияние чистоты материала
Теплопроводность силикатных углеродных материалов сильно зависит от их чистоты. В кристаллах силикатного углерода более высокой чистоты меньше примесей, а рассеяние колебаний решетки при теплопередаче уменьшается, поэтому теплопроводность улучшается. Напротив, примеси в материале будут образовывать дефекты решетки, затруднять передачу теплового потока и снижать эффективность теплопроводности. Поэтому поддержание высокой чистоты силикатных углеродных материалов во время производства имеет решающее значение для обеспечения высокой теплопроводности.
Некоторые остаточные примеси, такие как оксиды металлов или другие аморфные вещества, образуют тепловые барьеры на границах зерен окремненных кристаллов углерода, значительно снижая теплопроводность материала. Эти примеси приводят к увеличению термического сопротивления границ зерен, особенно при более высоких температурах. Поэтому строгий контроль чистоты сырья и производственных процессов является одним из ключевых шагов по улучшению теплопроводности силикатизированного углерода.

3. Влияние температуры на теплопроводность.
Температура является одним из важных факторов, влияющих на теплопроводность силицида углерода. По мере повышения температуры колебания решетки в материале будут усиливаться, что приведет к увеличению рассеяния фононов, что повлияет на проводимость тепла. В условиях низких температур теплопроводность углеродосилицидных материалов относительно высока, но по мере повышения температуры теплопроводность постепенно снижается.
Теплопроводность силицида углерода различна в разных температурных диапазонах. Вообще говоря, теплопроводность силицида углерода более выражена при низких температурах, но при температуре выше 1000°С его теплопроводность постепенно ослабевает. Несмотря на это, теплопроводность силицида углерода в условиях высоких температур по-прежнему лучше, чем у большинства других керамических материалов.

4. Влияние легирующих элементов
Для оптимизации теплопроводности углеродсилицидных материалов в промышленности обычно вводят некоторые легирующие элементы, способные изменять кристаллическую структуру и электрические свойства материала, тем самым влияя на теплопроводность. Например, легирование такими элементами, как азот или алюминий, может изменить теплопроводность силицида углерода.
Однако допинг может иметь и негативные последствия. Если концентрация легирования слишком высока, дефекты в кристаллической структуре увеличиваются, и легированные атомы взаимодействуют с атомами решетки, что приводит к усилению вибрации решетки, увеличению термического сопротивления и, в конечном итоге, к снижению теплопроводности материала. Следовательно, тип и концентрацию легирующего элемента необходимо точно контролировать, чтобы минимизировать негативное влияние на теплопроводность и одновременно улучшить другие свойства (например, электропроводность).

5. Влияние технологии обработки
Процесс производства силиконизированных углеродных материалов напрямую влияет на их теплопроводность. Различные методы производства, такие как процесс спекания, горячее прессование и осаждение из паровой фазы, влияют на размер зерна, плотность и пористость материала, и все это влияет на теплопроводность.
Например, силиконизированные углеродные материалы, полученные спеканием при горячем прессовании, обычно имеют более высокую плотность и меньше пор, более короткие пути теплопроводности и, следовательно, лучшую теплопроводность. Силиконизированные углеродные материалы, полученные традиционными методами спекания, могут иметь больше пор и микроскопических дефектов, что приводит к увеличению термического сопротивления и снижению теплопроводности.