Чистота кристаллической структуры

Теоретическая теплопроводность монокристалла α-SiC высокой чистоты может достигать 490 Вт/(м-К), но фактическая значительно снижается из-за таких факторов, как границы зерен и примеси. Например, при увеличении содержания примесей на каждые 0,1% теплопроводность уменьшается примерно на 5-8%.

Пористость

Пористость препятствует передаче фононов, и на каждые 1% увеличения пористости теплопроводность уменьшается на 5-10%. Пористость SISIC обычно составляет <0,5%, в то время как пористость SSIC может достигать 2% из-за различий в процессах спекания.

Средства для спекания

Добавка Al₂O₃-Y₂O₃, обычно используемая в SSIC, образует зернограничную фазу с низкой теплопроводностью (теплопроводность <10 Вт/(м-К)), в то время как зернограничная теплопроводность SISIC может достигать 120-150 Вт/(м-К) из-за наличия свободного кремния.

Размер зерна

Крупные зерна (>20 мкм) могут уменьшить количество границ зерен и увеличить теплопроводность на 15-20%. Зерна SISIC обычно составляют 1-5 мкм, а SSIC могут достигать 5-20 мкм.

Теплопроводность решетки карбида кремния достигается в основном за счет переноса фононов. Изменение температуры влияет на теплопроводность в трех аспектах:

1. Усиленное фононное рассеяние
   Повышение температуры усиливает колебания решетки (концентрация фононов ↑), что приводит к увеличению вероятности фонон-фононного рассеяния и сокращению среднего свободного пробега (сопротивление теплопроводности ↑)
2. Pизменение фазы и влияние интерфейса
   Свободный кремний (температура плавления 1414℃) в RB-SiC размягчается при приближении к температуре плавления, что приводит к резкому увеличению термического сопротивления границы раздела кремний/SiC.
3. Активация дефектов
   При высоких температурах диффузия примесных атомов на границах зерен усиливается, образуя дополнительные центры рассеяния (особенно выше 500℃).

Диапазон от комнатной температуры до 800℃ (неразрушающий диапазон температур)

• Изменение теплопроводности: 180 Вт/(м-К) → 95 Вт/(м-К) (снижение на 47%)
• Доминирующий фактор: Доминирует рассеяние Умклаппа
• Ключевое явление:
  • Точка перегиба появляется при 300℃, и скорость снижения теплопроводности замедляется с -0,25 Вт/(м-К-℃) до -0,15 Вт/(м-К-℃).
  • Коэффициент термического сопротивления границ зерен увеличивается с 15% до 35%

Диапазон 800-1300℃ (предел структурной стабильности)

• Изменение теплопроводности: 95 Вт/(м-К) → 62 Вт/(м-К) (снижение на 35%)
• Доминирующие факторы:
  • Разница между коэффициентами теплового расширения свободного кремния (4,5×10-⁶/℃) и SiC (4,0×10-⁶/℃) приводит к образованию микротрещин
  • Начинается вязкое течение кремниевой фазы (＞1200℃)
• Аномальное явление:
  • Локальное увеличение теплопроводности (около +5%) может происходить в районе 1050℃, что связано с улучшением кристалличности кремниевой фазы.

Диапазон 1300-1400℃ (критическая зона разрушения)

• Изменение теплопроводности: 62 Вт/(м-К) → 28 Вт/(м-К) (снижение на 55%)
• Механизм разрушения:
  • Кремниевая фаза плавится, образуя жидкую пленку (>1414℃ полностью расплавлена)
  • Пористость увеличивается до 3-5%

1. Теплопроводность с преобладанием фононного рассеяния

Теплопроводность PLS-SiC достигается в основном за счет **передачи колебаний решетки (фононов)**. Изменения температуры влияют на теплопроводность по следующим каналам:

• Усиление умклапповского рассеяния: Повышение температуры приводит к увеличению плотности фононов, усилению ангармонических колебаний решетки и сокращению среднего свободного пробега.
• Эффект рассеяния по границам зерен: Зернограничная фаза, образованная добавками для спекания (такими как Al₂O₃-Y₂O₃), имеет низкую теплопроводность (<10 Вт/(м-К)), и доля зернограничного термического сопротивления увеличивается при высоких температурах.
• Термическая активация дефектов: При температуре выше 500℃ усиливается диффузия вакансий решетки и примесных атомов, образуя дополнительные центры рассеяния.

2. Динамическая эволюция зернограничной фазы

Зона низких температур (<600℃): Стеклофаза на границе зерен остается твердой, а снижение теплопроводности в основном обусловлено рассеянием фононов.

• Зона средних и высоких температур (600-1400℃): некоторые зернограничные фазы размягчаются (например, стеклофаза Y-Si-Al-O), и межфазное термическое сопротивление значительно увеличивается.
• Зона сверхвысоких температур (＞1400℃): зернограничная фаза может разлагаться или улетучиваться, что приводит к увеличению пористости.

1. Комнатная температура до 600℃: линейная стадия снижения

• Изменение теплопроводности: 150 Вт/(м-К) → 110 Вт/(м-К) (снижение 27%)
• Доминирующий фактор: Доминирует рассеяние Умклаппа
• Ключевые данные:
  • Температурный коэффициент теплопроводности: -0,07 Вт/(м-К-℃)
  • Коэффициент термостойкости границ зерен увеличился с 20% до 35%

2. 600-1400℃: нелинейный каскад затухания

• Изменение теплопроводности: 110 Вт/(м-К) → 65 Вт/(м-К) (снижение 41%)
• Анализ механизмов:
  • Вязкость стеклофазы на границе зерен уменьшается, а термическое сопротивление границы раздела скачет (коэффициент вклада > 50%)
  • Микротрещины зарождаются по границе зерен (из-за разницы в коэффициентах теплового расширения)
• Аномальное явление:
  • В диапазоне 800-1000℃ может появиться кратковременная платформа (скорость изменения < 5%), которая связана с частичной кристаллизацией зернограничной фазы.

3. 1400-1600℃: Предельная зона сверхвысокой температуры

• Изменение теплопроводности: 65 Вт/(м-К) → 45 Вт/(м-К) (снижение на 31%)
• Механизм разрушения:
  • Испарение пограничной фазы зерна (например, температура сублимации Y₂O₃ > 2400℃, но локальные обогащенные участки могут разлагаться)
  • Аномальный рост зерен (размер увеличивается с 5 мкм до 15 мкм), плотность границ зерен уменьшается, но анизотропия монокристаллов увеличивается

* Приведенные выше данные носят исключительно справочный характер.

Ключевые поворотные моменты:

• 300℃: Теплопроводность SSIC завершает стабилизацию зернограничной фазы и превосходит RB-SiC
• 1000℃: Кремниевая фаза SISIC начинает течь, а скорость затухания теплопроводности увеличивается до 0,2 Вт/(м-К-℃).

* Приведенные выше данные носят исключительно справочный характер.

• Ограниченный бюджет + < 800℃: Выберите SISIC (30-50% дешевле)
• Длительная эксплуатация при высоких температурах: SSIC предпочтительнее (срок службы увеличивается в 2-3 раза)
• Экстремальные условия теплового удара: SISIC (устойчивость к тепловому удару ΔT до 800℃)

* Приведенные выше данные носят исключительно справочный характер.

Исходя из теплопроводности при 25°C, это значение сохраняется после 30 минут воздействия высокой температуры

Реакционное спекание и спекание без давления карбида кремния имеют свои преимущества в теплопроводности. При выборе материала необходимо всесторонне учитывать температуру, окружающую среду и стоимость, чтобы достичь наилучшего решения по терморегулированию. Если вы все еще не уверены, какой материал подходит для вашего применения, пожалуйста, свяжитесь с нами.