¿Qué factores afectan la alta conductividad térmica de los productos de carburo de silicio?

Carburo de Silicio , El SiC se usa ampliamente en diversos campos industriales debido a sus buenas propiedades físicas y químicas, especialmente su alta conductividad térmica que hace que funcione bien en ocasiones donde se requiere disipación de calor. Los materiales de carbono siliconados tienen las ventajas de alta conductividad térmica, resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, y se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos, intercambiadores de calor, fabricación de semiconductores y otros campos. Sin embargo, la conductividad térmica del carbono siliconado no es fija y se ve afectada por muchos factores. A continuación se analizarán los factores que afectan la alta conductividad térmica de los productos de carbono siliconado desde la perspectiva de la estructura cristalina, la pureza del material, la temperatura, los elementos dopantes y la tecnología de procesamiento.

1. Influencia de la estructura cristalina.
La alta conductividad térmica del carbono siliconado está relacionada con su estructura cristalina única. Existen principalmente dos estructuras cristalinas de carbono siliconado: tipo α (estructura hexagonal) y tipo β (estructura cúbica). A temperatura ambiente, la conductividad térmica del carbono siliconado de tipo β es ligeramente mayor que la del carbono siliconado de tipo α. La disposición atómica del carbono siliconado de tipo β es más compacta, la vibración de la red es más ordenada y la resistencia térmica se reduce. Por tanto, elegir una estructura cristalina adecuada puede mejorar la conductividad térmica del material.
Sin embargo, en ambientes de alta temperatura, el carbono silicificado de tipo α muestra gradualmente una mejor estabilidad térmica. Aunque su conductividad térmica es ligeramente menor a temperatura ambiente, puede mantener una buena conductividad térmica a altas temperaturas. Esto significa que en entornos de aplicaciones específicos, es fundamental elegir la estructura cristalina adecuada.

2. Influencia de la pureza material
La conductividad térmica de los materiales de carbono silicificados depende en gran medida de su pureza. Hay menos impurezas en los cristales de carbono silicificados con mayor pureza y se reduce la dispersión de las vibraciones de la red durante la transferencia de calor, por lo que se mejora la conductividad térmica. Por el contrario, las impurezas en el material formarán defectos en la red, dificultarán la transferencia del flujo de calor y reducirán la eficiencia de la conductividad térmica. Por lo tanto, mantener la alta pureza de los materiales de carbono silicificado durante la producción es crucial para garantizar una alta conductividad térmica.
Algunas impurezas residuales, como óxidos metálicos u otras sustancias amorfas, formarán barreras térmicas en los límites de los granos de los cristales de carbono silicificados, reduciendo significativamente la conductividad térmica del material. Estas impurezas harán que aumente la resistencia térmica en los límites de los granos, especialmente a temperaturas más altas. Por tanto, controlar estrictamente la pureza de las materias primas y los procesos de producción es uno de los pasos clave para mejorar la conductividad térmica del carbón silicificado.

3. Efecto de la temperatura sobre la conductividad térmica.
La temperatura es uno de los factores importantes que afectan la conductividad térmica del siliciuro de carbono. A medida que aumenta la temperatura, aumentará la vibración de la red en el material, lo que dará como resultado una mayor dispersión de fonones, lo que afectará la conducción del calor. En ambientes de baja temperatura, la conductividad térmica de los materiales de siliciuro de carbono es relativamente alta, pero a medida que aumenta la temperatura, la conductividad térmica disminuirá gradualmente.
La conductividad térmica del siliciuro de carbono varía en diferentes rangos de temperatura. En términos generales, la conductividad térmica del siliciuro de carbono es más prominente a bajas temperaturas, pero cuando la temperatura supera los 1000 °C, su conductividad térmica se debilitará gradualmente. A pesar de esto, la conductividad térmica del siliciuro de carbono en ambientes de alta temperatura sigue siendo mejor que la de la mayoría de los demás materiales cerámicos.

4. Efecto de los elementos dopantes
Para optimizar la conductividad térmica de los materiales de siliciuro de carbono, generalmente se introducen en la industria algunos elementos dopantes, que pueden cambiar la estructura cristalina y las propiedades eléctricas del material, afectando así la conductividad térmica. Por ejemplo, el dopado con elementos como nitrógeno o aluminio puede cambiar la conductividad térmica del siliciuro de carbono.
Sin embargo, el dopaje también puede tener efectos negativos. Si la concentración de dopaje es demasiado alta, los defectos en la estructura cristalina aumentan y los átomos dopados interactúan con los átomos de la red, lo que resulta en una mayor vibración de la red, una mayor resistencia térmica y, en última instancia, una reducción de la conductividad térmica del material. Por lo tanto, el tipo y la concentración del elemento dopante deben controlarse con precisión para minimizar el impacto negativo sobre la conductividad térmica y al mismo tiempo mejorar otras propiedades (como la conductividad eléctrica).

5. Influencia de la tecnología de procesamiento
El proceso de fabricación de materiales de carbono siliconados tiene un impacto directo en su conductividad térmica. Los diferentes métodos de producción, como el proceso de sinterización, el moldeo por prensado en caliente y la deposición de vapor, afectarán el tamaño del grano, la densidad y la porosidad del material, todo lo cual afectará la conductividad térmica.
Por ejemplo, los materiales de carbono siliconados producidos mediante sinterización por prensado en caliente suelen tener mayor densidad y menos poros, vías de conducción de calor más cortas y, por tanto, mejor conductividad térmica. Los materiales de carbono siliconados preparados mediante métodos de sinterización convencionales pueden tener más poros y defectos microscópicos, lo que da como resultado una mayor resistencia térmica y una conductividad térmica reducida.