Welche Faktoren beeinflussen die hohe Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbidprodukten?

Siliziumkarbid Aufgrund seiner guten physikalischen und chemischen Eigenschaften wird SiC häufig in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt, insbesondere aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eignet es sich gut für Anwendungen, in denen eine Wärmeableitung erforderlich ist. Silikonisierte Kohlenstoffmaterialien haben die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und werden häufig in elektronischen Geräten, Wärmetauschern, der Halbleiterfertigung und anderen Bereichen eingesetzt. Die Wärmeleitfähigkeit von siliziumisiertem Kohlenstoff ist jedoch nicht festgelegt und wird von vielen Faktoren beeinflusst. Im Folgenden werden die Faktoren analysiert, die die hohe Wärmeleitfähigkeit von siliziumisierten Kohlenstoffprodukten beeinflussen, unter den Gesichtspunkten Kristallstruktur, Materialreinheit, Temperatur, Dotierungselemente und Verarbeitungstechnologie.

1. Einfluss der Kristallstruktur
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von siliziumisiertem Kohlenstoff hängt mit seiner einzigartigen Kristallstruktur zusammen. Es gibt hauptsächlich zwei Kristallstrukturen von siliziertem Kohlenstoff: den α-Typ (sechseckige Struktur) und den β-Typ (kubische Struktur). Bei Raumtemperatur ist die Wärmeleitfähigkeit von siliziertem Kohlenstoff vom β-Typ etwas höher als die von siliziertem Kohlenstoff vom α-Typ. Die atomare Anordnung von siliziertem Kohlenstoff vom β-Typ ist kompakter, die Gitterschwingung ist geordneter und der Wärmewiderstand ist verringert. Daher kann die Wahl einer geeigneten Kristallstruktur die Wärmeleitfähigkeit des Materials verbessern.
In Umgebungen mit hohen Temperaturen zeigt jedoch verkieselter Kohlenstoff vom α-Typ allmählich eine bessere thermische Stabilität. Obwohl seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur etwas geringer ist, kann es bei hohen Temperaturen eine gute Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten. Das bedeutet, dass es in bestimmten Anwendungsumgebungen entscheidend ist, die richtige Kristallstruktur zu wählen.

2. Einfluss der Materialreinheit
Die Wärmeleitfähigkeit verkieselter Kohlenstoffmaterialien hängt stark von ihrer Reinheit ab. In verkieselten Kohlenstoffkristallen mit höherer Reinheit gibt es weniger Verunreinigungen und die Streuung von Gitterschwingungen während der Wärmeübertragung wird reduziert, sodass die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird. Im Gegenteil, Verunreinigungen im Material bilden Gitterfehler, behindern die Übertragung des Wärmeflusses und verringern die Effizienz der Wärmeleitfähigkeit. Daher ist die Aufrechterhaltung der hohen Reinheit der verkieselten Kohlenstoffmaterialien während der Produktion von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen.
Einige verbleibende Verunreinigungen wie Metalloxide oder andere amorphe Substanzen bilden an den Korngrenzen verkieselter Kohlenstoffkristalle Wärmebarrieren und verringern so die Wärmeleitfähigkeit des Materials erheblich. Diese Verunreinigungen führen insbesondere bei höheren Temperaturen zu einer Erhöhung des thermischen Widerstands an den Korngrenzen. Daher ist die strenge Kontrolle der Reinheit der Rohstoffe und Produktionsprozesse einer der wichtigsten Schritte zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von verkieseltem Kohlenstoff.

3. Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit
Die Temperatur ist einer der wichtigen Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizid beeinflussen. Mit steigender Temperatur wird die Gitterschwingung im Material verstärkt, was zu einer stärkeren Phononenstreuung führt, die sich auf die Wärmeleitung auswirkt. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizidmaterialien relativ hoch, aber mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit allmählich ab.
Die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizid variiert in verschiedenen Temperaturbereichen. Im Allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizid bei niedrigen Temperaturen stärker ausgeprägt, aber wenn die Temperatur 1000 °C überschreitet, wird seine Wärmeleitfähigkeit allmählich schwächer. Trotzdem ist die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizid in Umgebungen mit hohen Temperaturen immer noch besser als die der meisten anderen Keramikmaterialien.

4. Wirkung von Dopingelementen
Um die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizidmaterialien zu optimieren, werden in der Industrie üblicherweise einige Dotierungselemente eingeführt, die die Kristallstruktur und die elektrischen Eigenschaften des Materials verändern und dadurch die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen können. Beispielsweise kann eine Dotierung mit Elementen wie Stickstoff oder Aluminium die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffsilizid verändern.
Allerdings kann Doping auch negative Auswirkungen haben. Wenn die Dotierungskonzentration zu hoch ist, nehmen die Defekte in der Kristallstruktur zu und die dotierten Atome interagieren mit den Gitteratomen, was zu einer verstärkten Gitterschwingung, einem erhöhten thermischen Widerstand und letztendlich einer verringerten Wärmeleitfähigkeit des Materials führt. Daher müssen Art und Konzentration des Dotierungselements genau gesteuert werden, um die negativen Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit zu minimieren und gleichzeitig andere Eigenschaften (z. B. die elektrische Leitfähigkeit) zu verbessern.

5. Einfluss der Verarbeitungstechnologie
Der Herstellungsprozess von siliziumisierten Kohlenstoffmaterialien hat direkten Einfluss auf deren Wärmeleitfähigkeit. Verschiedene Produktionsmethoden wie Sintern, Heißpressen und Aufdampfen wirken sich auf die Korngröße, Dichte und Porosität des Materials aus, was sich wiederum auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt.
Beispielsweise weisen durch Heißpressen und Sintern hergestellte siliziumisierte Kohlenstoffmaterialien in der Regel eine höhere Dichte und weniger Poren, kürzere Wärmeleitungswege und damit eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf. Mit herkömmlichen Sinterverfahren hergestellte siliziumisierte Kohlenstoffmaterialien können mehr Poren und mikroskopische Defekte aufweisen, was zu einem erhöhten Wärmewiderstand und einer verringerten Wärmeleitfähigkeit führt.