ปัจจัยใดที่ส่งผลต่อการนำความร้อนสูงของผลิตภัณฑ์ซิลิคอนคาร์ไบด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ , SiC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำความร้อนสูง ทำให้ทำงานได้ดีในโอกาสที่จำเป็นต้องมีการกระจายความร้อน วัสดุคาร์บอนซิลิคอนมีข้อดีคือมีค่าการนำความร้อนสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และสาขาอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การนำความร้อนของคาร์บอนซิลิกอนไม่คงที่ และได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย เนื้อหาต่อไปนี้จะวิเคราะห์ปัจจัยที่ส่งผลต่อการนำความร้อนสูงของผลิตภัณฑ์คาร์บอนที่มีซิลิคอนจากมุมมองของโครงสร้างผลึก ความบริสุทธิ์ของวัสดุ อุณหภูมิ องค์ประกอบของสารต้องห้าม และเทคโนโลยีการประมวลผล

1. อิทธิพลของโครงสร้างผลึก
ค่าการนำความร้อนสูงของคาร์บอนซิลิกอนสัมพันธ์กับโครงสร้างผลึกที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว โครงสร้างผลึกของคาร์บอนซิลิคอนส่วนใหญ่มีสองโครงสร้าง: ประเภทα (โครงสร้างหกเหลี่ยม) และประเภทβ (โครงสร้างลูกบาศก์) ที่อุณหภูมิห้อง ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิกอนชนิด β จะสูงกว่าค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิกอนชนิด α เล็กน้อย การจัดเรียงอะตอมของคาร์บอนซิลิกอนชนิด β มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น การสั่นสะเทือนของตาข่ายมีความเป็นระเบียบมากขึ้น และความต้านทานความร้อนลดลง ดังนั้นการเลือกโครงสร้างผลึกที่เหมาะสมจึงสามารถปรับปรุงค่าการนำความร้อนของวัสดุได้
อย่างไรก็ตาม ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง คาร์บอนซิลิเกตชนิด α จะค่อยๆ แสดงความคงตัวทางความร้อนได้ดีขึ้น แม้ว่าค่าการนำความร้อนจะลดลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิห้อง แต่ก็สามารถรักษาค่าการนำความร้อนได้ดีที่อุณหภูมิสูงได้ ซึ่งหมายความว่าในสภาพแวดล้อมการใช้งานเฉพาะ การเลือกโครงสร้างผลึกที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ

2. อิทธิพลของความบริสุทธิ์ของวัสดุ
ค่าการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอนซิลิเกตขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์เป็นอย่างมาก ผลึกคาร์บอนซิลิเกตที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่ามีสิ่งเจือปนน้อยลง และการกระเจิงของการสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายระหว่างการถ่ายเทความร้อนจะลดลง ดังนั้นการนำความร้อนจึงดีขึ้น ในทางตรงกันข้าม สิ่งเจือปนในวัสดุจะทำให้เกิดข้อบกพร่องขัดแตะ ขัดขวางการถ่ายเทความร้อน และลดประสิทธิภาพการนำความร้อน ดังนั้น การรักษาความบริสุทธิ์สูงของวัสดุคาร์บอนซิลิเกตในระหว่างการผลิตจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่ามีการนำความร้อนสูงอื่นๆ
สิ่งเจือปนที่ตกค้างบางส่วน เช่น โลหะออกไซด์หรือสารอสัณฐานอื่นๆ จะก่อตัวเป็นอุปสรรคด้านความร้อนที่ขอบเขตเกรนของผลึกคาร์บอนซิลิเกต ซึ่งช่วยลดการนำความร้อนของวัสดุได้อย่างมาก สิ่งเจือปนเหล่านี้จะทำให้ความต้านทานความร้อนที่ขอบเกรนเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้นการควบคุมความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบและกระบวนการผลิตอย่างเคร่งครัดจึงเป็นหนึ่งในขั้นตอนสำคัญในการปรับปรุงการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิเกต

3. ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการนำความร้อน
อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ส่งผลต่อการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิไซด์ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การสั่นสะเทือนของตาข่ายในวัสดุจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการกระเจิงของโฟนอนเพิ่มขึ้น ซึ่งจะส่งผลต่อการนำความร้อน ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ค่าการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอนซิลิไซด์ค่อนข้างสูง แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าการนำความร้อนจะค่อยๆ ลดลง
ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิไซด์แตกต่างกันไปในช่วงอุณหภูมิที่ต่างกัน โดยทั่วไปแล้ว ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิไซด์จะเด่นชัดกว่าที่อุณหภูมิต่ำ แต่เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1,000°C ค่าการนำความร้อนจะค่อยๆ ลดลง อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิไซด์ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงยังคงดีกว่าวัสดุเซรามิกอื่นๆ ส่วนใหญ่

4. ผลกระทบขององค์ประกอบยาสลบ
เพื่อที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอนซิลิไซด์ จึงมีการนำองค์ประกอบยาสลบบางชนิดเข้ามาในอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถเปลี่ยนโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งส่งผลต่อการนำความร้อน ตัวอย่างเช่น การเติมองค์ประกอบต่างๆ เช่น ไนโตรเจนหรืออะลูมิเนียม สามารถเปลี่ยนค่าการนำความร้อนของคาร์บอนซิลิไซด์ได้
อย่างไรก็ตาม การใช้สารต้องห้ามก็อาจส่งผลเสียเช่นกัน หากความเข้มข้นของสารต้องห้ามสูงเกินไป ข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกจะเพิ่มขึ้น และอะตอมที่เจือปนจะมีปฏิกิริยากับอะตอมของโครงตาข่าย ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนของตาข่ายที่เพิ่มขึ้น ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น และลดการนำความร้อนของวัสดุในที่สุด ดังนั้น ชนิดและความเข้มข้นขององค์ประกอบยาสลบจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ เพื่อลดผลกระทบด้านลบต่อการนำความร้อน ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคุณสมบัติอื่นๆ (เช่น การนำไฟฟ้า)

5. อิทธิพลของเทคโนโลยีการประมวลผล
กระบวนการผลิตวัสดุคาร์บอนซิลิกอนมีผลกระทบโดยตรงต่อการนำความร้อน วิธีการผลิตที่แตกต่างกัน เช่น กระบวนการเผาผนึก การขึ้นรูปแบบกดร้อน และการสะสมไอ จะส่งผลต่อขนาดเกรน ความหนาแน่น และความพรุนของวัสดุ ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งผลต่อการนำความร้อน
ตัวอย่างเช่น วัสดุคาร์บอนซิลิกอนที่ผลิตโดยการเผาซินเทอร์แบบกดร้อนมักจะมีความหนาแน่นสูงกว่าและมีรูพรุนน้อยกว่า มีเส้นทางการนำความร้อนสั้นกว่า และดังนั้นจึงมีการนำความร้อนที่ดีกว่า วัสดุคาร์บอนซิลิคอนที่เตรียมโดยใช้วิธีการเผาผนึกแบบเดิมอาจมีรูพรุนและข้อบกพร่องในระดับจุลภาคมากขึ้น ส่งผลให้มีความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นและลดการนำความร้อน