Quels facteurs affectent la conductivité thermique élevée des produits en carbure de silicium

Carbure de silicium , le SiC est largement utilisé dans divers domaines industriels en raison de ses bonnes propriétés physiques et chimiques, en particulier sa conductivité thermique élevée qui lui permet de bien fonctionner dans les cas où une dissipation thermique est requise. Les matériaux en carbone siliconé présentent les avantages d'une conductivité thermique élevée, d'une résistance aux températures élevées, d'une résistance à l'usure et à la corrosion, et sont largement utilisés dans les appareils électroniques, les échangeurs de chaleur, la fabrication de semi-conducteurs et d'autres domaines. Cependant, la conductivité thermique du carbone siliconé n’est pas fixe et est affectée par de nombreux facteurs. Ce qui suit analysera les facteurs qui affectent la conductivité thermique élevée des produits en carbone siliconé du point de vue de la structure cristalline, de la pureté du matériau, de la température, des éléments dopants et de la technologie de traitement.

1. Influence de la structure cristalline
La conductivité thermique élevée du carbone siliconé est liée à sa structure cristalline unique. Il existe principalement deux structures cristallines de carbone siliconé : le type α (structure hexagonale) et le type β (structure cubique). À température ambiante, la conductivité thermique du carbone siliconé de type β est légèrement supérieure à celle du carbone siliconé de type α. L'arrangement atomique du carbone siliconé de type β est plus compact, la vibration du réseau est plus ordonnée et la résistance thermique est réduite. Par conséquent, le choix d’une structure cristalline appropriée peut améliorer la conductivité thermique du matériau.
Cependant, dans des environnements à haute température, le carbone silicifié de type α présente progressivement une meilleure stabilité thermique. Bien que sa conductivité thermique soit légèrement inférieure à température ambiante, il peut conserver une bonne conductivité thermique à haute température. Cela signifie que dans des environnements d’application spécifiques, il est crucial de choisir la bonne structure cristalline.

2. Influence de la pureté matérielle
La conductivité thermique des matériaux carbonés silicifiés dépend fortement de leur pureté. Il y a moins d'impuretés dans les cristaux de carbone silicifiés avec une pureté plus élevée, et la diffusion des vibrations du réseau pendant le transfert de chaleur est réduite, de sorte que la conductivité thermique est améliorée. Au contraire, les impuretés présentes dans le matériau formeront des défauts de réseau, entraveront le transfert du flux de chaleur et réduiront l’efficacité de la conductivité thermique. Par conséquent, le maintien de la grande pureté des matériaux carbonés silicifiés pendant la production est crucial pour garantir une autre conductivité thermique élevée.
Certaines impuretés résiduelles, comme les oxydes métalliques ou autres substances amorphes, formeront des barrières thermiques aux joints de grains des cristaux de carbone silicifiés, réduisant considérablement la conductivité thermique du matériau. Ces impuretés entraîneront une augmentation de la résistance thermique aux joints de grains, en particulier à des températures plus élevées. Par conséquent, le contrôle strict de la pureté des matières premières et des processus de production est l’une des étapes clés pour améliorer la conductivité thermique du carbone silicifié.

3. Effet de la température sur la conductivité thermique
La température est l'un des facteurs importants affectant la conductivité thermique du siliciure de carbone. À mesure que la température augmente, la vibration du réseau dans le matériau sera renforcée, ce qui entraînera une diffusion accrue des phonons, ce qui affectera la conduction de la chaleur. Dans les environnements à basse température, la conductivité thermique des matériaux en siliciure de carbone est relativement élevée, mais à mesure que la température augmente, la conductivité thermique diminue progressivement.
La conductivité thermique du siliciure de carbone varie dans différentes plages de température. D'une manière générale, la conductivité thermique du siliciure de carbone est plus importante à basse température, mais lorsque la température dépasse 1 000 °C, sa conductivité thermique s'affaiblit progressivement. Malgré cela, la conductivité thermique du siliciure de carbone dans les environnements à haute température reste meilleure que celle de la plupart des autres matériaux céramiques.

4. Effet des éléments dopants
Afin d'optimiser la conductivité thermique des matériaux en siliciure de carbone, certains éléments dopants sont généralement introduits dans l'industrie, ce qui peut modifier la structure cristalline et les propriétés électriques du matériau, affectant ainsi la conductivité thermique. Par exemple, le dopage avec des éléments tels que l’azote ou l’aluminium peut modifier la conductivité thermique du siliciure de carbone.
Cependant, le dopage peut aussi avoir des effets négatifs. Si la concentration de dopage est trop élevée, les défauts de la structure cristalline augmentent et les atomes dopés interagissent avec les atomes du réseau, ce qui entraîne une vibration accrue du réseau, une résistance thermique accrue et, finalement, une conductivité thermique réduite du matériau. Par conséquent, le type et la concentration de l’élément dopant doivent être contrôlés avec précision pour minimiser l’impact négatif sur la conductivité thermique tout en améliorant d’autres propriétés (telles que la conductivité électrique).

5. Influence de la technologie de transformation
Le procédé de fabrication des matériaux carbonés siliconés a un impact direct sur leur conductivité thermique. Différentes méthodes de production telles que le processus de frittage, le moulage par pressage à chaud et le dépôt en phase vapeur affecteront la taille des grains, la densité et la porosité du matériau, ce qui affectera toutes la conductivité thermique.
Par exemple, les matériaux carbonés siliconés produits par frittage par pressage à chaud ont généralement une densité plus élevée et moins de pores, des chemins de conduction thermique plus courts et donc une meilleure conductivité thermique. Les matériaux en carbone siliconé préparés à l'aide de méthodes de frittage conventionnelles peuvent présenter davantage de pores et de défauts microscopiques, ce qui entraîne une résistance thermique accrue et une conductivité thermique réduite.