Welke factoren beïnvloeden de hoge thermische geleidbaarheid van siliciumcarbideproducten?

Siliciumcarbide SiC wordt veel gebruikt in verschillende industriële domeinen vanwege de goede fysische en chemische eigenschappen. Vooral de hoge thermische geleidbaarheid zorgt ervoor dat het goed presteert in situaties waar warmteafvoer vereist is. Gesiliconiseerde koolstofmaterialen hebben de voordelen van hoge thermische geleidbaarheid, hoge temperatuurbestendigheid, slijtvastheid en corrosieweerstand, en worden veel gebruikt in elektronische apparaten, warmtewisselaars, halfgeleiderproductie en andere gebieden. De thermische geleidbaarheid van gesiliconiseerde koolstof ligt echter niet vast en wordt door vele factoren beïnvloed. Hieronder worden de factoren geanalyseerd die de hoge thermische geleidbaarheid van gesiliconiseerde koolstofproducten beïnvloeden vanuit het perspectief van kristalstructuur, materiaalzuiverheid, temperatuur, dopingelementen en verwerkingstechnologie.

1. Invloed van kristalstructuur
De hoge thermische geleidbaarheid van gesiliconiseerde koolstof houdt verband met de unieke kristalstructuur. Er zijn hoofdzakelijk twee kristalstructuren van gesiliconiseerde koolstof: α-type (hexagonale structuur) en β-type (kubieke structuur). Bij kamertemperatuur is de thermische geleidbaarheid van gesiliconiseerde koolstof van het β-type iets hoger dan die van gesiliconiseerde koolstof van het α-type. De atomaire opstelling van gesiliconiseerde koolstof van het β-type is compacter, de roostertrilling is ordentelijker en de thermische weerstand is verminderd. Daarom kan het kiezen van een geschikte kristalstructuur de thermische geleidbaarheid van het materiaal verbeteren.
In omgevingen met hoge temperaturen vertoont verkiezelde koolstof van het a-type echter geleidelijk een betere thermische stabiliteit. Hoewel de thermische geleidbaarheid iets lager is bij kamertemperatuur, kan het bij hoge temperaturen een goede thermische geleidbaarheid behouden. Dit betekent dat het in specifieke toepassingsomgevingen cruciaal is om de juiste kristalstructuur te kiezen.

2. Invloed van materiële zuiverheid
De thermische geleidbaarheid van verkiezelde koolstofmaterialen is sterk afhankelijk van hun zuiverheid. Er zijn minder onzuiverheden in verkiezelde koolstofkristallen met een hogere zuiverheid, en de verstrooiing van roostertrillingen tijdens warmteoverdracht wordt verminderd, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verbeterd. Integendeel, onzuiverheden in het materiaal zullen roosterdefecten vormen, de overdracht van warmtestroom belemmeren en de efficiëntie van de thermische geleidbaarheid verminderen. Daarom is het handhaven van de hoge zuiverheid van gesilicificeerde koolstofmaterialen tijdens de productie cruciaal om andere hoge thermische geleidbaarheid te garanderen.
Sommige resterende onzuiverheden, zoals metaaloxiden of andere amorfe stoffen, zullen thermische barrières vormen aan de korrelgrenzen van verkiezelde koolstofkristallen, waardoor de thermische geleidbaarheid van het materiaal aanzienlijk wordt verminderd. Deze onzuiverheden zullen ervoor zorgen dat de thermische weerstand aan de korrelgrenzen toeneemt, vooral bij hogere temperaturen. Daarom is het strikt controleren van de zuiverheid van grondstoffen en productieprocessen een van de belangrijkste stappen om de thermische geleidbaarheid van verkiezelde koolstof te verbeteren.

3. Effect van temperatuur op thermische geleidbaarheid
Temperatuur is een van de belangrijke factoren die de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicide beïnvloeden. Naarmate de temperatuur stijgt, zal de roostertrilling in het materiaal toenemen, wat resulteert in een grotere fononverstrooiing, wat de geleiding van warmte zal beïnvloeden. In omgevingen met lage temperaturen is de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicidematerialen relatief hoog, maar naarmate de temperatuur stijgt, zal de thermische geleidbaarheid geleidelijk afnemen.
De thermische geleidbaarheid van koolstofsilicide varieert in verschillende temperatuurbereiken. Over het algemeen is de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicide prominenter bij lage temperaturen, maar wanneer de temperatuur de 1000°C overschrijdt, zal de thermische geleidbaarheid ervan geleidelijk verzwakken. Desondanks is de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicide in omgevingen met hoge temperaturen nog steeds beter dan die van de meeste andere keramische materialen.

4. Effect van dopingelementen
Om de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicidematerialen te optimaliseren, worden gewoonlijk enkele doteringselementen in de industrie geïntroduceerd, die de kristalstructuur en elektrische eigenschappen van het materiaal kunnen veranderen, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt beïnvloed. Doping met elementen zoals stikstof of aluminium kan bijvoorbeeld de thermische geleidbaarheid van koolstofsilicide veranderen.
Doping kan echter ook negatieve gevolgen hebben. Als de doteringsconcentratie te hoog is, nemen de defecten in de kristalstructuur toe en gaan de gedoteerde atomen in wisselwerking met de roosteratomen, wat resulteert in verhoogde roostervibratie, verhoogde thermische weerstand en uiteindelijk verminderde thermische geleidbaarheid van het materiaal. Daarom moeten het type en de concentratie van het doteringselement nauwkeurig worden gecontroleerd om de negatieve impact op de thermische geleidbaarheid te minimaliseren en tegelijkertijd andere eigenschappen (zoals elektrische geleidbaarheid) te verbeteren.

5. Invloed van verwerkingstechnologie
Het productieproces van gesiliconiseerde koolstofmaterialen heeft een directe invloed op hun thermische geleidbaarheid. Verschillende productiemethoden, zoals het sinterproces, heet persen en opdampen, zullen de korrelgrootte, dichtheid en porositeit van het materiaal beïnvloeden, wat allemaal de thermische geleidbaarheid zal beïnvloeden.
Gesiliconiseerde koolstofmaterialen die worden geproduceerd door heetpersen, hebben bijvoorbeeld gewoonlijk een hogere dichtheid en minder poriën, kortere warmtegeleidingspaden en daarom een ​​betere thermische geleidbaarheid. Gesiliconiseerde koolstofmaterialen bereid met conventionele sintermethoden kunnen meer poriën en microscopische defecten hebben, wat resulteert in een verhoogde thermische weerstand en een verminderde thermische geleidbaarheid.