Quali fattori influenzano l'elevata conduttività termica dei prodotti in carburo di silicio

Carburo di silicio , Il SiC è ampiamente utilizzato in vari campi industriali grazie alle sue buone proprietà fisiche e chimiche, in particolare la sua elevata conduttività termica gli consente di funzionare bene nelle occasioni in cui è richiesta la dissipazione del calore. I materiali in carbonio siliconato presentano i vantaggi di elevata conduttività termica, resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione e sono ampiamente utilizzati in dispositivi elettronici, scambiatori di calore, produzione di semiconduttori e altri campi. Tuttavia, la conduttività termica del carbonio siliconato non è fissa ed è influenzata da molti fattori. Di seguito verranno analizzati i fattori che influenzano l'elevata conduttività termica dei prodotti in carbonio siliconato dal punto di vista della struttura cristallina, della purezza del materiale, della temperatura, degli elementi droganti e della tecnologia di lavorazione.

1. Influenza della struttura cristallina
L'elevata conduttività termica del carbonio siliconato è legata alla sua struttura cristallina unica. Esistono principalmente due strutture cristalline del carbonio siliconato: di tipo α (struttura esagonale) e di tipo β (struttura cubica). A temperatura ambiente, la conduttività termica del carbonio siliconato di tipo β è leggermente superiore a quella del carbonio siliconato di tipo α. La disposizione atomica del carbonio siliconizzato di tipo β è più compatta, la vibrazione del reticolo è più ordinata e la resistenza termica è ridotta. Pertanto, la scelta di una struttura cristallina adeguata può migliorare la conduttività termica del materiale.
Tuttavia, in ambienti ad alta temperatura, il carbonio silicizzato di tipo α mostra gradualmente una migliore stabilità termica. Sebbene la sua conduttività termica sia leggermente inferiore a temperatura ambiente, può mantenere una buona conduttività termica alle alte temperature. Ciò significa che in ambienti applicativi specifici è fondamentale scegliere la giusta struttura cristallina.

2. Influenza della purezza del materiale
La conduttività termica dei materiali di carbonio silicizzato dipende fortemente dalla loro purezza. Ci sono meno impurità nei cristalli di carbonio silicizzato con maggiore purezza e la dispersione delle vibrazioni del reticolo durante il trasferimento di calore è ridotta, quindi la conduttività termica è migliorata. Al contrario, le impurità nel materiale formeranno difetti reticolari, ostacoleranno il trasferimento del flusso di calore e ridurranno l’efficienza della conduttività termica. Pertanto, mantenere l’elevata purezza dei materiali di carbonio silicizzato durante la produzione è fondamentale per garantire un’elevata conduttività termica.
Alcune impurità residue, come ossidi metallici o altre sostanze amorfe, formeranno barriere termiche ai bordi dei grani dei cristalli di carbonio silicizzato, riducendo significativamente la conduttività termica del materiale. Queste impurità faranno aumentare la resistenza termica ai bordi del grano, specialmente a temperature più elevate. Pertanto, il controllo rigoroso della purezza delle materie prime e dei processi produttivi è uno dei passaggi chiave per migliorare la conduttività termica del carbonio silicizzato.

3. Effetto della temperatura sulla conducibilità termica
La temperatura è uno dei fattori importanti che influenzano la conduttività termica del siliciuro di carbonio. All’aumentare della temperatura, la vibrazione del reticolo nel materiale aumenterà, con conseguente aumento della dispersione dei fononi, che influenzerà la conduzione del calore. Negli ambienti a bassa temperatura, la conduttività termica dei materiali in siliciuro di carbonio è relativamente elevata, ma all'aumentare della temperatura la conduttività termica diminuirà gradualmente.
La conduttività termica del siliciuro di carbonio varia in diversi intervalli di temperatura. In generale, la conduttività termica del siliciuro di carbonio è più evidente alle basse temperature, ma quando la temperatura supera i 1000°C, la sua conduttività termica si indebolisce gradualmente. Nonostante ciò, la conduttività termica del siliciuro di carbonio in ambienti ad alta temperatura è ancora migliore rispetto alla maggior parte degli altri materiali ceramici.

4. Effetto degli elementi dopanti
Per ottimizzare la conduttività termica dei materiali in siliciuro di carbonio, nel settore vengono solitamente introdotti alcuni elementi droganti che possono modificare la struttura cristallina e le proprietà elettriche del materiale, influenzando così la conduttività termica. Ad esempio, il drogaggio con elementi come azoto o alluminio può modificare la conduttività termica del siliciuro di carbonio.
Tuttavia, il doping può anche causare effetti negativi. Se la concentrazione del drogante è troppo elevata, i difetti nella struttura cristallina aumentano e gli atomi drogati interagiscono con gli atomi del reticolo, determinando una maggiore vibrazione del reticolo, un aumento della resistenza termica e, infine, una ridotta conduttività termica del materiale. Pertanto, il tipo e la concentrazione dell'elemento drogante devono essere controllati con precisione per ridurre al minimo l'impatto negativo sulla conduttività termica, migliorando al contempo altre proprietà (come la conduttività elettrica).

5. Influenza della tecnologia di elaborazione
Il processo di produzione dei materiali in carbonio siliconato ha un impatto diretto sulla loro conduttività termica. Diversi metodi di produzione come il processo di sinterizzazione, lo stampaggio con pressatura a caldo e la deposizione di vapore influenzeranno la dimensione dei grani, la densità e la porosità del materiale, tutti fattori che influenzeranno la conduttività termica.
Ad esempio, i materiali in carbonio siliconato prodotti mediante sinterizzazione con pressatura a caldo hanno solitamente una densità maggiore e meno pori, percorsi di conduzione del calore più brevi e quindi una migliore conduttività termica. I materiali in carbonio siliconato preparati utilizzando metodi di sinterizzazione convenzionali possono presentare più pori e difetti microscopici, con conseguente aumento della resistenza termica e riduzione della conduttività termica.