Silisyum Karbür Ürünlerinin yüksek ısı iletkenliğini hangi faktörler etkiler?

Silisyum Karbür SiC, iyi fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle çeşitli endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır, özellikle yüksek ısı iletkenliği, ısı dağıtımının gerekli olduğu durumlarda iyi performans göstermesini sağlar. Silikonlu karbon malzemeler, yüksek ısı iletkenliği, yüksek sıcaklık direnci, aşınma direnci ve korozyon direnci avantajlarına sahiptir ve elektronik cihazlarda, ısı eşanjörlerinde, yarı iletken imalatında ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak silikonlu karbonun ısıl iletkenliği sabit değildir ve birçok faktörden etkilenir. Aşağıda silikonlu karbon ürünlerinin yüksek termal iletkenliğini etkileyen faktörler kristal yapı, malzeme saflığı, sıcaklık, katkı elemanları ve işleme teknolojisi açısından analiz edilecektir.

1. Kristal yapının etkisi
Silikonlu karbonun yüksek termal iletkenliği, benzersiz kristal yapısıyla ilgilidir. Silikonlu karbonun esas olarak iki kristal yapısı vardır: α tipi (altıgen yapı) ve β tipi (kübik yapı). Oda sıcaklığında, β-tipi silikonize karbonun termal iletkenliği, α-tipi silikonize karbonunkinden biraz daha yüksektir. β-tipi silikonlu karbonun atomik düzeni daha kompakttır, kafes titreşimi daha düzenlidir ve termal direnç azalır. Bu nedenle uygun bir kristal yapının seçilmesi malzemenin ısıl iletkenliğini artırabilir.
Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda, α-tipi silisleşmiş karbon giderek daha iyi termal stabilite gösterir. Oda sıcaklığında ısı iletkenliği biraz daha düşük olmasına rağmen, yüksek sıcaklıklarda iyi ısı iletkenliğini koruyabilir. Bu, belirli uygulama ortamlarında doğru kristal yapıyı seçmenin çok önemli olduğu anlamına gelir.

2. Malzeme saflığının etkisi
Silisleşmiş karbon malzemelerin termal iletkenliği büyük ölçüde saflıklarına bağlıdır. Daha yüksek saflığa sahip silisli karbon kristallerinde daha az yabancı madde bulunur ve ısı transferi sırasında kafes titreşimlerinin saçılması azalır, böylece termal iletkenlik artar. Aksine, malzemedeki yabancı maddeler kafes kusurları oluşturacak, ısı akışının transferini engelleyecek ve termal iletkenlik verimliliğini azaltacaktır. Bu nedenle, üretim sırasında silisleşmiş karbon malzemelerin yüksek saflığının korunması, diğer yüksek termal iletkenliğin sağlanması açısından çok önemlidir.
Metal oksitler veya diğer amorf maddeler gibi bazı kalıntı safsızlıklar, silisleşmiş karbon kristallerinin tanecik sınırlarında termal bariyerler oluşturarak malzemenin termal iletkenliğini önemli ölçüde azaltır. Bu safsızlıklar, özellikle yüksek sıcaklıklarda tanecik sınırlarındaki termal direncin artmasına neden olacaktır. Bu nedenle, hammaddelerin ve üretim süreçlerinin saflığının sıkı bir şekilde kontrol edilmesi, silisleşmiş karbonun termal iletkenliğini iyileştirmenin temel adımlarından biridir.

3. Sıcaklığın ısı iletkenliğine etkisi
Sıcaklık, karbon silisitin ısıl iletkenliğini etkileyen önemli faktörlerden biridir. Sıcaklık arttıkça malzemedeki kafes titreşimi artacak, bu da fonon saçılımının artmasına neden olacak ve bu da ısı iletimini etkileyecektir. Düşük sıcaklıktaki ortamlarda karbon silisit malzemelerin ısıl iletkenliği nispeten yüksektir, ancak sıcaklık arttıkça ısıl iletkenlik giderek azalacaktır.
Karbon silisitin termal iletkenliği farklı sıcaklık aralıklarında değişir. Genel olarak konuşursak, karbon silisitin ısıl iletkenliği düşük sıcaklıklarda daha belirgindir, ancak sıcaklık 1000°C'yi aştığında ısıl iletkenliği giderek zayıflar. Buna rağmen karbon silisitin yüksek sıcaklıktaki ortamlardaki ısıl iletkenliği hala diğer seramik malzemelerin çoğundan daha iyidir.

4. Doping unsurlarının etkisi
Karbon silisit malzemelerin termal iletkenliğini optimize etmek için, genellikle endüstride malzemenin kristal yapısını ve elektriksel özelliklerini değiştirebilen ve dolayısıyla termal iletkenliği etkileyebilen bazı doping elemanları tanıtılmaktadır. Örneğin nitrojen veya alüminyum gibi elementlerle katkı yapmak, karbon silisitin termal iletkenliğini değiştirebilir.
Ancak dopingin olumsuz etkileri de olabilir. Katkı konsantrasyonu çok yüksekse, kristal yapıdaki kusurlar artar ve katkılı atomlar kafes atomlarıyla etkileşime girer, bu da kafes titreşiminin artmasına, termal direncin artmasına ve sonuçta malzemenin termal iletkenliğinin azalmasına neden olur. Bu nedenle, diğer özellikleri (elektrik iletkenliği gibi) geliştirirken termal iletkenlik üzerindeki olumsuz etkiyi en aza indirmek için katkı maddesinin türü ve konsantrasyonunun hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.

5. İşleme teknolojisinin etkisi
Silikonlu karbon malzemelerin üretim sürecinin termal iletkenlikleri üzerinde doğrudan etkisi vardır. Sinterleme işlemi, sıcak presleme kalıplama ve buhar biriktirme gibi farklı üretim yöntemleri, malzemenin tane boyutunu, yoğunluğunu ve gözenekliliğini etkileyecektir ve bunların tümü termal iletkenliği etkileyecektir.
Örneğin, sıcak presleme sinterlemesi ile üretilen silikonlu karbon malzemeler genellikle daha yüksek yoğunluğa ve daha az gözeneklere, daha kısa ısı iletim yollarına ve dolayısıyla daha iyi termal iletkenliğe sahiptir. Geleneksel sinterleme yöntemleri kullanılarak hazırlanan silikonlu karbon malzemeler daha fazla gözenek ve mikroskobik kusurlara sahip olabilir, bu da termal direncin artmasına ve termal iletkenliğin azalmasına neden olur.