ما هي العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري العالي لمنتجات كربيد السيليكون

كربيد السيليكون ، يستخدم SiC على نطاق واسع في مختلف المجالات الصناعية نظرًا لخصائصه الفيزيائية والكيميائية الجيدة، وخاصةً أن موصليته الحرارية العالية تجعله يؤدي أداءً جيدًا في المناسبات التي تتطلب تبديد الحرارة. تتميز المواد الكربونية السليكونية بمزايا التوصيل الحراري العالي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل، وتستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية والمبادلات الحرارية وتصنيع أشباه الموصلات وغيرها من المجالات. ومع ذلك، فإن الموصلية الحرارية للكربون السيليكوني ليست ثابتة، وتتأثر بالعديد من العوامل. سوف يقوم ما يلي بتحليل العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري العالي لمنتجات الكربون السيليكونية من منظور التركيب البلوري ونقاء المواد ودرجة الحرارة وعناصر المنشطات وتكنولوجيا المعالجة.

1. تأثير التركيب البلوري
ترتبط الموصلية الحرارية العالية للكربون السيليكوني ببنيته البلورية الفريدة. يوجد بشكل أساسي هيكلان بلوريان من الكربون السليكوني: النوع α (الهيكل السداسي) والنوع β (الهيكل المكعب). في درجة حرارة الغرفة، تكون الموصلية الحرارية للكربون السيليكوني من النوع β أعلى قليلاً من الكربون السيليكوني من النوع ألفا. يكون الترتيب الذري للكربون السيليكوني من النوع β أكثر إحكاما، ويكون اهتزاز الشبكة أكثر تنظيما، ويتم تقليل المقاومة الحرارية. ولذلك، فإن اختيار البنية البلورية المناسبة يمكن أن يحسن التوصيل الحراري للمادة.
ومع ذلك، في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، يُظهر الكربون السيسيلي من النوع α تدريجيًا استقرارًا حراريًا أفضل. على الرغم من أن موصليته الحرارية أقل قليلاً في درجة حرارة الغرفة، إلا أنه يمكنه الحفاظ على موصلية حرارية جيدة في درجات الحرارة المرتفعة. وهذا يعني أنه في بيئات تطبيق محددة، من الضروري اختيار البنية البلورية المناسبة.

2. تأثير نقاء المادة
تعتمد الموصلية الحرارية للمواد الكربونية السيليكية بشكل كبير على نقائها. يوجد عدد أقل من الشوائب في بلورات الكربون السيليكية ذات النقاء العالي، ويتم تقليل تشتت اهتزازات الشبكة أثناء نقل الحرارة، وبالتالي يتم تحسين التوصيل الحراري. على العكس من ذلك، فإن الشوائب الموجودة في المادة ستشكل عيوبًا شبكية، وتعيق نقل تدفق الحرارة، وتقلل من كفاءة التوصيل الحراري. ولذلك، فإن الحفاظ على درجة نقاء عالية لمواد الكربون السيليكاتية أثناء الإنتاج أمر بالغ الأهمية لضمان التوصيل الحراري العالي الآخر.
ستشكل بعض الشوائب المتبقية، مثل أكاسيد المعادن أو غيرها من المواد غير المتبلورة، حواجز حرارية عند حدود الحبوب لبلورات الكربون السيليكية، مما يقلل بشكل كبير من التوصيل الحراري للمادة. هذه الشوائب ستؤدي إلى زيادة المقاومة الحرارية عند حدود الحبوب، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة. لذلك، يعد التحكم الصارم في نقاء المواد الخام وعمليات الإنتاج إحدى الخطوات الأساسية لتحسين التوصيل الحراري للكربون السيليكي.

3. تأثير درجة الحرارة على التوصيل الحراري
تعد درجة الحرارة أحد العوامل المهمة التي تؤثر على التوصيل الحراري لمبيد سيليكات الكربون. مع زيادة درجة الحرارة، سيتم تعزيز اهتزاز الشبكة في المادة، مما يؤدي إلى زيادة تشتت الفونون، مما سيؤثر على توصيل الحرارة. في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، تكون الموصلية الحرارية لمواد سيليكات الكربون مرتفعة نسبيًا، ولكن مع زيادة درجة الحرارة، ستنخفض الموصلية الحرارية تدريجيًا.
تختلف الموصلية الحرارية لمبيد سيليكات الكربون باختلاف نطاقات درجات الحرارة. بشكل عام، تكون الموصلية الحرارية لمبيد سيليكات الكربون أكثر وضوحًا عند درجات الحرارة المنخفضة، ولكن عندما تتجاوز درجة الحرارة 1000 درجة مئوية، فإن موصليته الحرارية سوف تضعف تدريجيًا. وعلى الرغم من ذلك، فإن الموصلية الحرارية لمبيد سيليكات الكربون في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة لا تزال أفضل من معظم المواد الخزفية الأخرى.

4. تأثير عناصر المنشطات
من أجل تحسين التوصيل الحراري لمواد مبيدات الكربون، عادة ما يتم إدخال بعض عناصر المنشطات في الصناعة، والتي يمكن أن تغير التركيب البلوري والخصائص الكهربائية للمادة، وبالتالي تؤثر على التوصيل الحراري. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التطعيم بعناصر مثل النيتروجين أو الألومنيوم إلى تغيير التوصيل الحراري لمبيد سيليكات الكربون.
ومع ذلك، قد يسبب تعاطي المنشطات أيضًا آثارًا سلبية. إذا كان تركيز المنشطات مرتفعًا جدًا، تزيد العيوب في البنية البلورية، وتتفاعل الذرات المنشطات مع ذرات الشبكة، مما يؤدي إلى تعزيز اهتزاز الشبكة، وزيادة المقاومة الحرارية، وفي النهاية تقليل التوصيل الحراري للمادة. ولذلك، يجب التحكم بدقة في نوع وتركيز عنصر المنشطات لتقليل التأثير السلبي على التوصيل الحراري مع تعزيز الخصائص الأخرى (مثل التوصيل الكهربائي).

5. تأثير تكنولوجيا المعالجة
إن عملية تصنيع المواد الكربونية السليكونية لها تأثير مباشر على توصيلها الحراري. سوف تؤثر طرق الإنتاج المختلفة مثل عملية التلبيد، والقولبة بالضغط الساخن، وترسيب البخار على حجم الحبوب، والكثافة، ومسامية المادة، وكلها سوف تؤثر على التوصيل الحراري.
على سبيل المثال، المواد الكربونية السليكونية التي يتم إنتاجها عن طريق تلبيد الضغط الساخن عادة ما تكون ذات كثافة أعلى ومسام أقل، ومسارات توصيل حرارة أقصر، وبالتالي موصلية حرارية أفضل. قد تحتوي المواد الكربونية السيليكونية المحضرة باستخدام طرق التلبيد التقليدية على المزيد من المسام والعيوب المجهرية، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الحرارية وانخفاض التوصيل الحراري.