Quais fatores afetam a alta condutividade térmica dos produtos de carboneto de silício

Carboneto de Silício , o SiC é amplamente utilizado em vários campos industriais devido às suas boas propriedades físicas e químicas, especialmente sua alta condutividade térmica faz com que ele tenha um bom desempenho em ocasiões onde a dissipação de calor é necessária. Os materiais de carbono siliconizado têm as vantagens de alta condutividade térmica, resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste e resistência à corrosão e são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos, trocadores de calor, fabricação de semicondutores e outros campos. No entanto, a condutividade térmica do carbono siliconizado não é fixa e é afetada por muitos fatores. A seguir serão analisados ​​os fatores que afetam a alta condutividade térmica dos produtos de carbono siliconizado do ponto de vista da estrutura cristalina, pureza do material, temperatura, elementos dopantes e tecnologia de processamento.

1. Influência da estrutura cristalina
A alta condutividade térmica do carbono siliconizado está relacionada à sua estrutura cristalina única. Existem principalmente duas estruturas cristalinas de carbono siliconizado: tipo α (estrutura hexagonal) e tipo β (estrutura cúbica). À temperatura ambiente, a condutividade térmica do carbono siliconizado tipo β é ligeiramente superior à do carbono siliconizado tipo α. O arranjo atômico do carbono siliconizado tipo β é mais compacto, a vibração da rede é mais ordenada e a resistência térmica é reduzida. Portanto, a escolha de uma estrutura cristalina adequada pode melhorar a condutividade térmica do material.
Porém, em ambientes de alta temperatura, o carbono silicificado tipo α apresenta gradativamente melhor estabilidade térmica. Embora a sua condutividade térmica seja ligeiramente inferior à temperatura ambiente, pode manter uma boa condutividade térmica a altas temperaturas. Isto significa que em ambientes de aplicação específicos, é crucial escolher a estrutura cristalina correta.

2. Influência da pureza do material
A condutividade térmica dos materiais de carbono silicificados é altamente dependente da sua pureza. Há menos impurezas nos cristais de carbono silicificados com maior pureza e a dispersão das vibrações da rede durante a transferência de calor é reduzida, melhorando assim a condutividade térmica. Pelo contrário, as impurezas no material formarão defeitos de rede, dificultarão a transferência do fluxo de calor e reduzirão a eficiência da condutividade térmica. Portanto, manter a alta pureza dos materiais de carbono silicificados durante a produção é crucial para garantir outras altas condutividades térmicas.
Algumas impurezas residuais, como óxidos metálicos ou outras substâncias amorfas, formarão barreiras térmicas nos limites dos grãos dos cristais de carbono silicificados, reduzindo significativamente a condutividade térmica do material. Estas impurezas farão com que a resistência térmica nos limites dos grãos aumente, especialmente em temperaturas mais altas. Portanto, controlar rigorosamente a pureza das matérias-primas e dos processos de produção é um dos principais passos para melhorar a condutividade térmica do carbono silicificado.

3. Efeito da temperatura na condutividade térmica
A temperatura é um dos fatores importantes que afetam a condutividade térmica do siliceto de carbono. À medida que a temperatura aumenta, a vibração da rede no material será aumentada, resultando num aumento da dispersão de fônons, o que afetará a condução de calor. Em ambientes de baixa temperatura, a condutividade térmica dos materiais de siliceto de carbono é relativamente alta, mas à medida que a temperatura aumenta, a condutividade térmica diminuirá gradualmente.
A condutividade térmica do siliceto de carbono varia em diferentes faixas de temperatura. De modo geral, a condutividade térmica do siliceto de carbono é mais proeminente em baixas temperaturas, mas quando a temperatura excede 1000°C, sua condutividade térmica enfraquece gradualmente. Apesar disso, a condutividade térmica do siliceto de carbono em ambientes de alta temperatura ainda é melhor do que a maioria dos outros materiais cerâmicos.

4. Efeito dos elementos de dopagem
Para otimizar a condutividade térmica dos materiais de siliceto de carbono, alguns elementos dopantes são normalmente introduzidos na indústria, que podem alterar a estrutura cristalina e as propriedades elétricas do material, afetando assim a condutividade térmica. Por exemplo, a dopagem com elementos como nitrogênio ou alumínio pode alterar a condutividade térmica do siliceto de carbono.
No entanto, o doping também pode causar efeitos negativos. Se a concentração de dopagem for muito alta, os defeitos na estrutura cristalina aumentam e os átomos dopados interagem com os átomos da rede, resultando em maior vibração da rede, aumento da resistência térmica e, por fim, redução da condutividade térmica do material. Portanto, o tipo e a concentração do elemento dopante precisam ser controlados com precisão para minimizar o impacto negativo na condutividade térmica e, ao mesmo tempo, melhorar outras propriedades (como a condutividade elétrica).

5. Influência da tecnologia de processamento
O processo de fabricação de materiais de carbono siliconizados tem impacto direto na sua condutividade térmica. Diferentes métodos de produção, como processo de sinterização, moldagem por prensagem a quente e deposição de vapor, afetarão o tamanho do grão, a densidade e a porosidade do material, o que afetará a condutividade térmica.
Por exemplo, materiais de carbono siliconizados produzidos por sinterização por prensagem a quente geralmente têm densidade mais alta e menos poros, caminhos de condução de calor mais curtos e, portanto, melhor condutividade térmica. Materiais de carbono siliconizado preparados usando métodos convencionais de sinterização podem ter mais poros e defeitos microscópicos, resultando em aumento da resistência térmica e redução da condutividade térmica.