Koji čimbenici utječu na visoku toplinsku vodljivost proizvoda od silicij karbida

Silicij karbid , SiC se naširoko koristi u raznim industrijskim poljima zbog svojih dobrih fizikalnih i kemijskih svojstava, a posebno njegova visoka toplinska vodljivost čini ga dobrim u prilikama u kojima je potrebno odvođenje topline. Silikonizirani ugljični materijali imaju prednosti visoke toplinske vodljivosti, otpornosti na visoke temperature, otpornosti na habanje i otpornosti na koroziju te se široko koriste u elektroničkim uređajima, izmjenjivačima topline, proizvodnji poluvodiča i drugim poljima. Međutim, toplinska vodljivost silikoniziranog ugljika nije fiksna i na nju utječu mnogi čimbenici. U nastavku će se analizirati čimbenici koji utječu na visoku toplinsku vodljivost proizvoda od silikoniziranog ugljika iz perspektive kristalne strukture, čistoće materijala, temperature, elemenata za dopiranje i tehnologije obrade.

1. Utjecaj kristalne strukture
Visoka toplinska vodljivost silikoniziranog ugljika povezana je s njegovom jedinstvenom kristalnom strukturom. Postoje uglavnom dvije kristalne strukture silikoniziranog ugljika: α-tip (heksagonalna struktura) i β-tip (kubična struktura). Na sobnoj temperaturi, toplinska vodljivost silikoniziranog ugljika β-tipa nešto je viša od one kod silikoniziranog ugljika α-tipa. Atomski raspored silikoniziranog ugljika β-tipa je kompaktniji, vibracija rešetke je urednija, a toplinski otpor je smanjen. Stoga se odabirom odgovarajuće kristalne strukture može poboljšati toplinska vodljivost materijala.
Međutim, u okruženjima s visokim temperaturama, silicificirani ugljik α-tipa postupno pokazuje bolju toplinsku stabilnost. Iako je njegova toplinska vodljivost nešto niža na sobnoj temperaturi, može održati dobru toplinsku vodljivost na visokim temperaturama. To znači da je u određenim okruženjima primjene ključno odabrati pravu kristalnu strukturu.

2. Utjecaj čistoće materijala
Toplinska vodljivost silicificiranih ugljikovih materijala uvelike ovisi o njihovoj čistoći. U silicificiranim kristalima ugljika veće čistoće ima manje nečistoća, a raspršenje vibracija rešetke tijekom prijenosa topline je smanjeno, pa je toplinska vodljivost poboljšana. Naprotiv, nečistoće u materijalu formirat će defekte rešetke, ometati prijenos toka topline i smanjiti učinkovitost toplinske vodljivosti. Stoga je održavanje visoke čistoće silicificiranih ugljikovih materijala tijekom proizvodnje ključno za osiguranje druge visoke toplinske vodljivosti.
Neke zaostale nečistoće, poput metalnih oksida ili drugih amorfnih tvari, formirat će toplinske barijere na granicama zrna silicificiranih kristala ugljika, značajno smanjujući toplinsku vodljivost materijala. Ove nečistoće uzrokovat će povećanje toplinskog otpora na granicama zrna, osobito pri višim temperaturama. Stoga je stroga kontrola čistoće sirovina i proizvodnih procesa jedan od ključnih koraka za poboljšanje toplinske vodljivosti silicificiranog ugljika.

3. Utjecaj temperature na toplinsku vodljivost
Temperatura je jedan od važnih čimbenika koji utječu na toplinsku vodljivost ugljikovog silicida. Kako se temperatura povećava, vibracije rešetke u materijalu će se pojačati, što će rezultirati povećanim raspršenjem fonona, što će utjecati na provođenje topline. U okruženjima s niskom temperaturom, toplinska vodljivost materijala ugljikovog silicida je relativno visoka, ali kako se temperatura povećava, toplinska vodljivost će se postupno smanjivati.
Toplinska vodljivost ugljikovog silicida varira u različitim temperaturnim rasponima. Općenito govoreći, toplinska vodljivost ugljičnog silicida je izraženija na niskim temperaturama, ali kada temperatura prijeđe 1000°C, njegova toplinska vodljivost postupno slabi. Unatoč tome, toplinska vodljivost ugljičnog silicida u okruženjima visoke temperature još uvijek je bolja od većine drugih keramičkih materijala.

4. Učinak doping elemenata
Kako bi se optimizirala toplinska vodljivost ugljikovih silicidnih materijala, u industriji se obično uvode neki elementi za dopiranje, koji mogu promijeniti kristalnu strukturu i električna svojstva materijala, čime utječu na toplinsku vodljivost. Na primjer, dopiranje elementima kao što su dušik ili aluminij može promijeniti toplinsku vodljivost ugljikovog silicida.
Međutim, doping može izazvati i negativne učinke. Ako je koncentracija dopinga previsoka, defekti u kristalnoj strukturi se povećavaju, a dopirani atomi djeluju u interakciji s atomima rešetke, što rezultira pojačanom vibracijom rešetke, povećanim toplinskim otporom i konačno smanjenom toplinskom vodljivošću materijala. Stoga, vrstu i koncentraciju dopirajućeg elementa treba precizno kontrolirati kako bi se smanjio negativan utjecaj na toplinsku vodljivost dok se poboljšavaju druga svojstva (kao što je električna vodljivost).

5. Utjecaj tehnologije obrade
Proces proizvodnje silikoniziranih karbonskih materijala ima izravan utjecaj na njihovu toplinsku vodljivost. Različite proizvodne metode kao što su proces sinteriranja, vruće prešanje i taloženje parom utjecat će na veličinu zrna, gustoću i poroznost materijala, što će sve utjecati na toplinsku vodljivost.
Na primjer, silikonizirani ugljični materijali proizvedeni sinteriranjem vrućim prešanjem obično imaju veću gustoću i manje pora, kraće putove provođenja topline i stoga bolju toplinsku vodljivost. Silikonizirani ugljični materijali pripremljeni konvencionalnim metodama sinteriranja mogu imati više pora i mikroskopskih defekata, što rezultira povećanom toplinskom otpornošću i smanjenom toplinskom vodljivošću.