Le ceramiche in carburo di silicio (SiC) sono ampiamente utilizzate in settori ad alta tecnologia come l'elettronica, l'aerospaziale, l'automobile e i semiconduttori, grazie alla loro eccellente conducibilità termica, all'elevata resistenza e alla resistenza alla corrosione chimica. Tra questi, la conduttività termica è un parametro chiave per misurare le prestazioni della ceramica di carburo di silicio, che influisce direttamente sulle sue prestazioni applicative nella dissipazione del calore, nella resistenza agli shock termici e nelle parti strutturali ad alta temperatura.

Le ceramiche in carburo di silicio prodotte con processi diversi hanno una diversa conducibilità termica. Questo articolo si concentra sull'analisi della conduttività termica e delle differenze applicative del carburo di silicio sinterizzato per reazione (SISIC) e del carburo di silicio sinterizzato senza pressione (SSiC).

Purezza della struttura cristallina

La conduttività termica teorica del cristallo singolo α-SiC di elevata purezza può raggiungere i 490 W/(m-K), ma il materiale reale è significativamente ridotto a causa di fattori quali i confini dei grani e le impurità. Ad esempio, per ogni aumento di 0,1% del contenuto di impurità, la conduttività termica diminuisce di circa 5-8%.

Porosità

La porosità ostacola la trasmissione dei fononi e per ogni aumento di 1% della porosità, la conduttività termica diminuisce di 5-10%. La porosità del SISIC è solitamente <0,5%, mentre quella del SSIC può raggiungere 2% a causa delle differenze nei processi di sinterizzazione.

Ausiliari di sinterizzazione

L'additivo Al₂O₃-Y₂O₃ comunemente usato nel SSIC formerà una fase di confine del grano a bassa conducibilità termica (conducibilità termica <10 W/(m-K)), mentre la conducibilità termica del confine del grano del SISIC può raggiungere 120-150 W/(m-K) a causa della presenza di silicio libero.

Dimensione dei grani

I grani grandi (>20μm) possono ridurre il numero di confini dei grani e aumentare la conduttività termica di 15-20%. I grani SISIC sono solitamente di 1-5μm, mentre quelli SSIC possono raggiungere i 5-20μm.

La conduzione termica del reticolo di carburo di silicio avviene principalmente attraverso il trasferimento di fononi. Le variazioni di temperatura influiscono sulla conduttività termica sotto tre aspetti:

1. Potenziamento della diffusione dei foni
   L'aumento della temperatura intensifica la vibrazione del reticolo (concentrazione di foni ↑), con conseguente aumento della probabilità di dispersione fono-fonetica e accorciamento del cammino libero medio (resistenza alla conduzione termica ↑).
2. Pcambiamento di hase ed effetto dell'interfaccia
   Il silicio libero (punto di fusione 1414℃) in RB-SiC si ammorbidisce quando si avvicina al punto di fusione, causando un forte aumento della resistenza termica dell'interfaccia silicio/SiC.
3. Attivazione del difetto
   Ad alte temperature, la diffusione degli atomi di impurità ai confini dei grani si intensifica, formando ulteriori centri di diffusione (soprattutto sopra i 500℃).

Temperatura ambiente a 800℃ (intervallo di temperatura non distruttivo)

• Variazione della conduttività termica: 180 W/(m-K) → 95 W/(m-K) (diminuzione di 47%)
• Fattore dominante: Domina lo scattering Umklapp
• Fenomeno chiave:
  • A 300℃ compare un punto di inflessione e il tasso di diminuzione della conduttività termica rallenta da -0,25 W/(m-K-℃) a -0,15 W/(m-K-℃).
  • Il rapporto di resistenza termica al limite del grano aumenta da 15% a 35%.

Gamma 800-1300℃ (limite di stabilità strutturale)

• Variazione della conduttività termica: 95 W/(m-K) → 62 W/(m-K) (diminuzione di 35%)
• Fattori dominanti:
  • La differenza tra il coefficiente di espansione termica del silicio libero (4,5×10-⁶/℃) e del SiC (4,0×10-⁶/℃) porta alla formazione di microcricche.
  • Inizia il flusso viscoso della fase siliconica (＞1200℃)
• Fenomeno anomalo:
  • Un aumento locale della conduttività termica (circa +5%) può verificarsi intorno a 1050℃, in relazione al miglioramento della cristallinità della fase di silicio.

Gamma 1300-1400℃ (zona di guasto critica)

• Variazione della conduttività termica: 62 W/(m-K) → 28 W/(m-K) (diminuzione di 55%)
• Meccanismo di guasto:
  • La fase di silicio si scioglie per formare una pellicola liquida (>1414℃ completamente fusa)
  • La porosità aumenta a 3-5%

1. Conduzione termica dominata dalla diffusione dei fononi

La conduzione termica del PLS-SiC avviene principalmente attraverso la trasmissione di **vibrazioni del reticolo (fononi)**. Le variazioni di temperatura influenzano la conduttività termica attraverso i seguenti canali:

• Potenziamento dello scattering Umklapp: L'aumento della temperatura porta a un incremento della densità dei fononi, a un'intensificazione delle vibrazioni anarmoniche del reticolo e a un accorciamento del cammino libero medio.
• Effetto di diffusione dei confini dei grani: La fase di confine dei grani formata dai coadiuvanti di sinterizzazione (come l'Al₂O₃-Y₂O₃) ha una bassa conducibilità termica (<10 W/(m-K)) e la percentuale di resistenza termica del confine dei grani aumenta alle alte temperature.
• Attivazione termica dei difetti: Al di sopra dei 500℃, la diffusione di vacuità reticolari e atomi di impurità si intensifica, formando ulteriori centri di diffusione.

2. Evoluzione dinamica della fase di confine dei grani

Zona a bassa temperatura (<600℃): La fase vetrosa del bordo del grano rimane solida e la diminuzione della conduttività termica è dominata principalmente dalla diffusione dei fononi.

• Zona a media e alta temperatura (600-1400℃): alcune fasi di confine dei grani si ammorbidiscono (come la fase vetrosa Y-Si-Al-O) e la resistenza termica interfacciale aumenta in modo significativo.
• Zona ad altissima temperatura (＞1400℃): la fase di confine dei grani può decomporsi o volatilizzarsi, con conseguente aumento della porosità.

1. Temperatura ambiente a 600℃: fase di declino lineare

• Variazione della conduttività termica: 150 W/(m-K) → 110 W/(m-K) (diminuzione di 27%)
• Fattore dominante: Domina lo scattering Umklapp
• Dati chiave:
  • Coefficiente di temperatura della conduttività termica: -0,07 W/(m-K-℃)
  • Il rapporto di resistenza termica ai confini del grano è aumentato da 20% a 35%.

2. 600-1400℃: stadio di attenuazione non lineare

• Variazione della conduttività termica: 110 W/(m-K) → 65 W/(m-K) (diminuzione di 41%)
• Analisi del meccanismo:
  • La viscosità della fase vetrosa al confine dei grani diminuisce e la resistenza termica dell'interfaccia aumenta (tasso di contributo > 50%).
  • Le microfratture si formano lungo il bordo dei grani (a causa delle differenze nei coefficienti di espansione termica).
• Fenomeno anomalo:
  • Nell'intervallo 800-1000℃ può comparire una piattaforma a breve termine (tasso di variazione < 5%), legata alla parziale cristallizzazione della fase di confine dei grani.

3. 1400-1600℃: Area limite per le temperature ultra-elevate

• Variazione della conduttività termica: 65 W/(m-K) → 45 W/(m-K) (diminuzione di 31%)
• Meccanismo di guasto:
  • Volatilizzazione della fase limite del grano (come Y₂O₃ temperatura di sublimazione> 2400℃, ma le aree locali arricchite possono decomporsi)
  • Crescita anomala dei grani (le dimensioni aumentano da 5μm a 15μm), la densità dei confini dei grani diminuisce ma l'anisotropia del cristallo singolo aumenta

* I dati sopra riportati sono solo di riferimento.

Punti di svolta fondamentali:

• 300℃: La conduttività termica di SSIC completa la stabilizzazione della fase di confine dei grani e supera RB-SiC
• 1000℃: La fase SISIC del silicio inizia a fluire e il tasso di decadimento della conduttività termica aumenta a 0,2 W/(m-K-℃).

* I dati sopra riportati sono solo di riferimento.

• Budget limitato + < 800℃: Scegliere SISIC (30-50% costo inferiore)
• Servizio a lungo termine ad alta temperatura: SSIC è da preferire (durata di vita prolungata di 2-3 volte)
• Ambiente di shock termico estremo: SISIC (resistenza agli shock termici ΔT fino a 800℃)

* I dati sopra riportati sono solo di riferimento.

In base alla conduttività termica a 25°C, questo è il tasso di ritenzione dopo 30 minuti di esposizione ad alta temperatura

Il carburo di silicio sinterizzato per reazione e quello sinterizzato senza pressione presentano ciascuno i propri vantaggi in termini di conducibilità termica. Per ottenere la migliore soluzione di gestione termica, la scelta ingegneristica deve considerare in modo completo la temperatura, l'ambiente medio e il costo. Se non siete ancora sicuri di quale materiale sia adatto alla vostra applicazione, contattateci.