Mitkä tekijät vaikuttavat piikarbidituotteiden korkeaan lämmönjohtavuuteen

Piikarbidi , Piikarbidia käytetään laajalti useilla teollisuuden aloilla sen hyvien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta. Erityisesti sen korkean lämmönjohtavuuden ansiosta se toimii hyvin tilanteissa, joissa tarvitaan lämmönpoistoa. Silikonoiduilla hiilimateriaaleilla on korkea lämmönjohtavuus, korkea lämpötilan kestävyys, kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys, ja niitä käytetään laajalti elektronisissa laitteissa, lämmönvaihtimissa, puolijohteiden valmistuksessa ja muilla aloilla. Silikonoidun hiilen lämmönjohtavuus ei kuitenkaan ole kiinteä, ja siihen vaikuttavat monet tekijät. Seuraavassa analysoidaan silikonoitujen hiilituotteiden korkeaan lämmönjohtavuuteen vaikuttavia tekijöitä kiderakenteen, materiaalin puhtauden, lämpötilan, seostuselementtien ja käsittelytekniikan näkökulmasta.

1. Kiteen rakenteen vaikutus
Silikonoidun hiilen korkea lämmönjohtavuus liittyy sen ainutlaatuiseen kiderakenteeseen. Silikonoidulla hiilellä on pääasiassa kaksi kiderakennetta: α-tyyppinen (heksagonaalinen rakenne) ja β-tyyppinen (kuutiorakenne). Huoneenlämpötilassa β-tyypin silikonoidun hiilen lämmönjohtavuus on hieman korkeampi kuin α-tyypin silikonoidun hiilen. β-tyyppisen silikonoidun hiilen atomijärjestely on kompaktimpi, hilan värähtely on säännöllisempää ja lämpövastus on pienempi. Siksi sopivan kiderakenteen valitseminen voi parantaa materiaalin lämmönjohtavuutta.
Kuitenkin korkeissa lämpötiloissa α-tyyppinen piihiili osoittaa vähitellen parempaa lämpöstabiilisuutta. Vaikka sen lämmönjohtavuus on hieman alhaisempi huoneenlämpötilassa, se voi säilyttää hyvän lämmönjohtavuuden korkeissa lämpötiloissa. Tämä tarkoittaa, että tietyissä sovellusympäristöissä on ratkaisevan tärkeää valita oikea kiderakenne.

2. Materiaalin puhtauden vaikutus
Piihiilimateriaalien lämmönjohtavuus riippuu suuresti niiden puhtaudesta. Korkeamman puhtauden piikitetyissä hiilikiteissä on vähemmän epäpuhtauksia ja hilavärähtelyjen sironta lämmönsiirron aikana vähenee, jolloin lämmönjohtavuus paranee. Päinvastoin, materiaalissa olevat epäpuhtaudet muodostavat hilavirheitä, estävät lämpövirran siirtymistä ja vähentävät lämmönjohtavuuden tehokkuutta. Siksi piihiilimateriaalien korkean puhtauden säilyttäminen tuotannon aikana on ratkaisevan tärkeää muun korkean lämmönjohtavuuden varmistamiseksi.
Jotkut jäännösepäpuhtaudet, kuten metallioksidit tai muut amorfiset aineet, muodostavat lämpöesteitä piikitettyjen hiilikiteiden raerajoille, mikä vähentää merkittävästi materiaalin lämmönjohtavuutta. Nämä epäpuhtaudet lisäävät lämpövastusta rakeiden rajoilla, erityisesti korkeammissa lämpötiloissa. Siksi raaka-aineiden ja tuotantoprosessien puhtauden tiukka valvonta on yksi tärkeimmistä vaiheista silikoidun hiilen lämmönjohtavuuden parantamiseksi.

3. Lämpötilan vaikutus lämmönjohtavuuteen
Lämpötila on yksi tärkeimmistä hiilisilidin lämmönjohtavuuteen vaikuttavista tekijöistä. Lämpötilan noustessa materiaalissa oleva hilavärähtely voimistuu, mikä lisää fononien sirontaa, mikä vaikuttaa lämmön johtumiseen. Matalissa lämpötiloissa hiilisilikimateriaalien lämmönjohtavuus on suhteellisen korkea, mutta lämpötilan noustessa lämmönjohtavuus laskee vähitellen.
Hiilisisidin lämmönjohtavuus vaihtelee eri lämpötila-alueilla. Yleisesti ottaen hiilisilidin lämmönjohtavuus on näkyvämpi alhaisissa lämpötiloissa, mutta kun lämpötila ylittää 1000 °C, sen lämmönjohtavuus heikkenee vähitellen. Tästä huolimatta hiilisilidin lämmönjohtavuus korkeissa lämpötiloissa on edelleen parempi kuin useimpien muiden keraamisten materiaalien.

4. Dopingaineiden vaikutus
Hiilisilikimateriaalien lämmönjohtavuuden optimoimiseksi teollisuudessa otetaan yleensä käyttöön joitakin seostuselementtejä, jotka voivat muuttaa materiaalin kiderakennetta ja sähköisiä ominaisuuksia ja siten vaikuttaa lämmönjohtavuuteen. Esimerkiksi typen tai alumiinin kaltaisten elementtien seostus voi muuttaa hiilisilidin lämmönjohtavuutta.
Dopingilla voi kuitenkin olla myös kielteisiä vaikutuksia. Jos seostuspitoisuus on liian korkea, kiderakenteen viat kasvavat, ja seostetut atomit ovat vuorovaikutuksessa hilaatomien kanssa, mikä johtaa tehostuneeseen hilan värähtelyyn, lisääntyneeseen lämmönkestävyyteen ja lopulta materiaalin lämmönjohtavuuteen. Siksi seostuselementin tyyppiä ja pitoisuutta on säädettävä tarkasti, jotta voidaan minimoida negatiivinen vaikutus lämmönjohtavuuteen samalla kun parannetaan muita ominaisuuksia (kuten sähkönjohtavuutta).

5. Prosessointitekniikan vaikutus
Silikonoitujen hiilimateriaalien valmistusprosessilla on suora vaikutus niiden lämmönjohtavuuteen. Erilaiset tuotantomenetelmät, kuten sintrausprosessi, kuumapuristusmuovaus ja höyrypinnoitus, vaikuttavat materiaalin raekokoon, tiheyteen ja huokoisuuteen, jotka kaikki vaikuttavat lämmönjohtavuuteen.
Esimerkiksi kuumapuristussintrauksella valmistetuilla silikonoiduilla hiilimateriaaleilla on yleensä suurempi tiheys ja vähemmän huokosia, lyhyemmät lämmönjohtavuusreitit ja siten parempi lämmönjohtavuus. Tavanomaisilla sintrausmenetelmillä valmistetuissa silikonoiduissa hiilimateriaaleissa voi olla enemmän huokosia ja mikroskooppisia vikoja, mikä johtaa lisääntyneeseen lämmönkestävyyteen ja alhaisempaan lämmönjohtavuuteen.