چه عواملی بر هدایت حرارتی بالای محصولات کاربید سیلیکون تأثیر می گذارد

سیلیکون کاربید SiC به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خوب، به طور گسترده در زمینه های مختلف صنعتی استفاده می شود، به ویژه رسانایی حرارتی بالای آن باعث می شود در مواردی که اتلاف گرما مورد نیاز است، عملکرد خوبی داشته باشد. مواد کربن سیلیکونی شده دارای مزایای هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی هستند و به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی، مبدل های حرارتی، تولید نیمه هادی ها و سایر زمینه ها استفاده می شوند. با این حال، هدایت حرارتی کربن سیلیکونی ثابت نیست، و تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار دارد. در ادامه عواملی را که بر رسانایی حرارتی بالای محصولات کربنی سیلیکونی شده از دیدگاه ساختار کریستالی، خلوص مواد، دما، عناصر دوپینگ و فناوری پردازش تأثیر می‌گذارند، تحلیل می‌کند.

1. تأثیر ساختار کریستالی
رسانایی حرارتی بالای کربن سیلیکونی شده به ساختار کریستالی منحصر به فرد آن مربوط می شود. عمدتاً دو ساختار کریستالی از کربن سیلیکونی شده وجود دارد: نوع α (ساختار شش ضلعی) و نوع β (ساختار مکعبی). در دمای اتاق، هدایت حرارتی کربن سیلیکونی شده نوع β کمی بیشتر از کربن سیلیکونی شده نوع α است. آرایش اتمی کربن سیلیکونی شده نوع β فشرده تر است، ارتعاش شبکه منظم تر است و مقاومت حرارتی کاهش می یابد. بنابراین، انتخاب یک ساختار کریستالی مناسب می تواند هدایت حرارتی مواد را بهبود بخشد.
با این حال، در محیط های با دمای بالا، کربن سیلیسی شده نوع α به تدریج پایداری حرارتی بهتری را نشان می دهد. اگرچه رسانایی حرارتی آن در دمای اتاق کمی کمتر است، اما می تواند هدایت حرارتی خوبی را در دماهای بالا حفظ کند. این بدان معنی است که در محیط های کاربردی خاص، انتخاب ساختار کریستالی مناسب بسیار مهم است.

2. تأثیر خلوص مادی
هدایت حرارتی مواد کربن سیلیسی شده به شدت به خلوص آنها بستگی دارد. ناخالصی های کمتری در کریستال های کربن سیلیسی شده با خلوص بالاتر وجود دارد و پراکندگی ارتعاشات شبکه در حین انتقال حرارت کاهش می یابد، بنابراین هدایت حرارتی بهبود می یابد. در مقابل، ناخالصی‌های موجود در مواد باعث ایجاد عیوب شبکه می‌شوند، مانع انتقال جریان گرما می‌شوند و راندمان هدایت حرارتی را کاهش می‌دهند. بنابراین، حفظ خلوص بالای مواد کربن سیلیسی شده در طول تولید برای اطمینان از هدایت حرارتی بالا بسیار مهم است.
برخی از ناخالصی‌های باقیمانده مانند اکسیدهای فلزی یا سایر مواد بی‌شکل، موانع حرارتی را در مرزهای کریستال‌های کربن سیلیسی شده تشکیل می‌دهند و رسانایی حرارتی مواد را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. این ناخالصی ها باعث افزایش مقاومت حرارتی در مرز دانه ها به خصوص در دماهای بالاتر می شود. بنابراین، کنترل دقیق خلوص مواد خام و فرآیندهای تولید یکی از مراحل کلیدی برای بهبود هدایت حرارتی کربن سیلیسی شده است.

3. تأثیر دما بر هدایت حرارتی
دما یکی از عوامل مهم تاثیرگذار بر هدایت حرارتی سیلیسید کربن است. با افزایش دما، ارتعاش شبکه در ماده افزایش می‌یابد و در نتیجه پراکندگی فونون افزایش می‌یابد که بر هدایت گرما تأثیر می‌گذارد. در محیط های با دمای پایین، رسانایی حرارتی مواد سیلیسید کربن نسبتاً زیاد است، اما با افزایش دما، رسانایی حرارتی به تدریج کاهش می یابد.
هدایت حرارتی سیلیسید کربن در محدوده دمایی مختلف متفاوت است. به طور کلی، هدایت حرارتی سیلیسید کربن در دماهای پایین برجسته تر است، اما زمانی که دما از 1000 درجه سانتیگراد فراتر رود، هدایت حرارتی آن به تدریج ضعیف می شود. با وجود این، هدایت حرارتی سیلیسید کربن در محیط های با دمای بالا هنوز بهتر از سایر مواد سرامیکی است.

4. اثر عناصر دوپینگ
به منظور بهینه‌سازی رسانایی حرارتی مواد سیلیسید کربن، معمولاً برخی از عناصر دوپینگ در صنعت معرفی می‌شوند که می‌توانند ساختار کریستالی و خواص الکتریکی ماده را تغییر دهند و در نتیجه بر هدایت حرارتی تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، دوپینگ با عناصری مانند نیتروژن یا آلومینیوم می تواند هدایت حرارتی سیلیسید کربن را تغییر دهد.
با این حال، دوپینگ ممکن است اثرات منفی نیز داشته باشد. اگر غلظت دوپینگ خیلی زیاد باشد، نقص در ساختار کریستالی افزایش می‌یابد و اتم‌های دوپ‌شده با اتم‌های شبکه برهمکنش می‌کنند و در نتیجه ارتعاش شبکه افزایش می‌یابد، مقاومت حرارتی افزایش می‌یابد و در نهایت هدایت حرارتی ماده کاهش می‌یابد. بنابراین، نوع و غلظت عنصر دوپینگ باید دقیقاً کنترل شود تا تأثیر منفی بر هدایت حرارتی به حداقل برسد و در عین حال خواص دیگر (مانند هدایت الکتریکی) افزایش یابد.

5. تأثیر فناوری پردازش
فرآیند تولید مواد کربنی سیلیکونی شده تأثیر مستقیمی بر هدایت حرارتی آنها دارد. روش‌های مختلف تولید مانند فرآیند تف جوشی، قالب‌گیری با فشار داغ و رسوب بخار بر اندازه دانه، چگالی و تخلخل مواد تأثیر می‌گذارند که همگی بر هدایت حرارتی تأثیر می‌گذارند.
به عنوان مثال، مواد کربنی سیلیکونی شده تولید شده با پرس گرم تف جوشی معمولاً دارای چگالی بالاتر و منافذ کمتر، مسیرهای هدایت حرارتی کوتاه‌تر و در نتیجه هدایت حرارتی بهتری هستند. مواد کربنی سیلیکونی که با استفاده از روش‌های پخت متداول تهیه می‌شوند ممکن است دارای منافذ و عیوب میکروسکوپی بیشتری باشند که در نتیجه مقاومت حرارتی افزایش یافته و هدایت حرارتی کاهش می‌یابد.