Jaké faktory ovlivňují vysokou tepelnou vodivost výrobků z karbidu křemíku

Karbid křemíku , SiC je široce používán v různých průmyslových oblastech díky svým dobrým fyzikálním a chemickým vlastnostem, zejména díky vysoké tepelné vodivosti funguje dobře v případech, kdy je vyžadován odvod tepla. Silikonizované uhlíkové materiály mají výhody vysoké tepelné vodivosti, vysoké teplotní odolnosti, odolnosti proti opotřebení a odolnosti proti korozi a jsou široce používány v elektronických zařízeních, výměnících tepla, výrobě polovodičů a dalších oborech. Tepelná vodivost silikonizovaného uhlíku však není pevná a ovlivňuje ji mnoho faktorů. Dále budou analyzovány faktory, které ovlivňují vysokou tepelnou vodivost silikonizovaných uhlíkových produktů z hlediska krystalové struktury, čistoty materiálu, teploty, dopingových prvků a technologie zpracování.

1. Vliv krystalové struktury
Vysoká tepelná vodivost silikonizovaného uhlíku souvisí s jeho jedinečnou krystalickou strukturou. Existují především dvě krystalové struktury silikonizovaného uhlíku: α-typ (hexagonální struktura) a β-typ (kubická struktura). Při pokojové teplotě je tepelná vodivost silikonizovaného uhlíku typu β mírně vyšší než tepelná vodivost silikonizovaného uhlíku typu α. Atomové uspořádání silikonizovaného uhlíku typu β je kompaktnější, vibrace mřížky jsou uspořádanější a tepelný odpor je snížen. Proto výběr vhodné krystalové struktury může zlepšit tepelnou vodivost materiálu.
V prostředí s vysokou teplotou však křemičitý uhlík typu α postupně vykazuje lepší tepelnou stabilitu. I když je jeho tepelná vodivost při pokojové teplotě o něco nižší, dokáže si udržet dobrou tepelnou vodivost při vysokých teplotách. To znamená, že ve specifických aplikačních prostředích je zásadní zvolit správnou krystalovou strukturu.

2. Vliv materiálové čistoty
Tepelná vodivost materiálů z křemičitého uhlíku je vysoce závislá na jejich čistotě. V krystalech křemičitého uhlíku s vyšší čistotou je méně nečistot a snižuje se rozptyl kmitů mřížky při přenosu tepla, takže se zlepšuje tepelná vodivost. Naopak nečistoty v materiálu budou tvořit mřížkové defekty, bránit přenosu tepelného toku a snižovat účinnost tepelné vodivosti. Proto je udržení vysoké čistoty materiálů z křemičitého uhlíku během výroby klíčové pro zajištění další vysoké tepelné vodivosti.
Některé zbytkové nečistoty, jako jsou oxidy kovů nebo jiné amorfní látky, budou tvořit tepelné bariéry na hranicích zrn krystalů zkřemičitého uhlíku, čímž se výrazně sníží tepelná vodivost materiálu. Tyto nečistoty způsobí zvýšení tepelného odporu na hranicích zrn, zejména při vyšších teplotách. Přísná kontrola čistoty surovin a výrobních procesů je proto jedním z klíčových kroků ke zlepšení tepelné vodivosti křemičitého uhlíku.

3. Vliv teploty na tepelnou vodivost
Teplota je jedním z důležitých faktorů ovlivňujících tepelnou vodivost silicidu uhlíku. S rostoucí teplotou se zvýší vibrace mřížky v materiálu, což má za následek zvýšený rozptyl fononů, který ovlivní vedení tepla. V prostředí s nízkou teplotou je tepelná vodivost uhlíkatých silicidových materiálů poměrně vysoká, ale s rostoucí teplotou bude tepelná vodivost postupně klesat.
Tepelná vodivost uhlíkového silicidu se liší v různých teplotních rozsazích. Obecně řečeno, tepelná vodivost silicidu uhlíku je výraznější při nízkých teplotách, ale když teplota překročí 1000 °C, jeho tepelná vodivost bude postupně slábnout. Navzdory tomu je tepelná vodivost uhlíkového silicidu v prostředí s vysokou teplotou stále lepší než u většiny ostatních keramických materiálů.

4. Vliv dopingových prvků
Za účelem optimalizace tepelné vodivosti uhlíkatých silicidových materiálů se v průmyslu obvykle zavádějí některé dopovací prvky, které mohou změnit krystalovou strukturu a elektrické vlastnosti materiálu, a tím ovlivnit tepelnou vodivost. Například dopování prvky, jako je dusík nebo hliník, může změnit tepelnou vodivost silicidu uhlíku.
Doping však může mít i negativní účinky. Pokud je koncentrace dopingu příliš vysoká, vady v krystalové struktuře se zvětšují a dopované atomy interagují s atomy mřížky, což vede ke zvýšení vibrací mřížky, zvýšenému tepelnému odporu a nakonec ke snížení tepelné vodivosti materiálu. Proto je třeba přesně řídit typ a koncentraci dotovacího prvku, aby se minimalizoval negativní dopad na tepelnou vodivost a zároveň se zlepšily další vlastnosti (jako je elektrická vodivost).

5. Vliv technologie zpracování
Výrobní proces silikonizovaných uhlíkových materiálů má přímý vliv na jejich tepelnou vodivost. Různé výrobní metody, jako je proces spékání, lisování za tepla a nanášení páry, ovlivní velikost zrna, hustotu a pórovitost materiálu, což vše ovlivní tepelnou vodivost.
Například silikonizované uhlíkové materiály vyrobené slinováním lisováním za tepla mají obvykle vyšší hustotu a méně pórů, kratší dráhy vedení tepla, a tedy lepší tepelnou vodivost. Silikonizované uhlíkové materiály připravené konvenčními metodami slinování mohou mít více pórů a mikroskopických defektů, což má za následek zvýšený tepelný odpor a sníženou tepelnou vodivost.