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如何提升氮化铝陶瓷等导热材料性能

文章出处:http://www.jundro.cn/taocigongyi_/415.html人气:58时间:2020-10-24

材料本身的属性,其实在很大程度上决定了它的应用,像大部分陶瓷材料的热传递性能就比金属材料要差,因此在导热领域的应用也不如金属材料多。
金属板与陶瓷板
但即便如此,由于陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蚀以及在声、光、电、热、磁等方面的优异特性,因此在特定的场合下,导热性能较好且绝缘的陶瓷一样可以取代金属而发挥作用,一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主,如AlN、BeO、Si3N4、SiC、BN等。近年来这些高导热率陶瓷的应用变得十分广泛,其中最知名的莫过于陶瓷基板。
导热陶瓷的传热原理
热传导过程是材料内部的能量传输过程,但能量传输不是沿着一条直线从物体的一端传到另一端,而是采用扩散的形式,在传播过程中会因碰撞而与直线方向有所偏离。热能的载荷者为电子、声子、光子和磁激发。
由于陶瓷属于共价化合物,内部的电子是被束缚的,不能自由移动,因此其热传导是通过晶体结构基元(原子、离子或分子)的相互制约或相互谐调的振动来实现的。当晶格完整无缺陷时,声子的平均自由程越大,热导率就越高。一般高热导率非金属材料都具备晶体结构简单、晶格缺陷、杂质和空洞少、德拜温度高等特点。
陶瓷材料热导率的影响因素
虽然上文解释了高热导率陶瓷应具备的特点,但在实际工业应用中,晶体或多或少还是会存在缺陷的,而且其结构基元的分布也会有差异。因此除了固有的声子-声子散射降低氮化铝陶瓷热导率外,陶瓷中的各种缺陷就是影响热导率的主要因素。下面以AlN陶瓷为例,列举一下都有哪些恼人的缺陷在影响它导热性能的发挥。
氮化铝陶瓷基板
1.氧杂质
如同所有的固体介质,氮化铝的晶格杂质会对其导热系数产生不利影响,其中主要的杂质是晶格氧。Slack在其单晶研究基础上,提出了氧原子会固溶入氮化铝晶格,由于氧原子与氮原子是非等价置换,根据缺陷方程会导致一个铝空缺三个氧原子,如下缺陷方程所示:
这就造成了大量铝格位和铝空位的产生,使得氮化铝晶格呈现出非谐性,影响声子散射,从而使氮化铝陶瓷热导率急剧降低。Bachelard等研究表明:当氮化铝中氧含量为0.12wt%时,其热导率降至185W/(m·K),而当氧含量上升至0.31wt%时,其热导率仅为130W/(m·k)。
2.致密度
根据氮化铝的热传导性能,低致密度的样品存在的大量气孔,会影响声子的散射,降低其平均自由程,进而降低氮化铝陶瓷的热导率。同时,低致密度的样品其机械性能也可能达不到相关应用要求。因此,高致密度是氮化铝陶瓷具有高热导率的前提。
3.微观结构
氮化铝陶瓷烧结过程中常加入一些助剂以降低氮化铝陶瓷的烧结温度。但同时产生的第二相可能会存在氮化铝晶格中,在氮化铝热传导过程中其也会发生散射,从而影响氮化铝陶瓷的热导率。第二相在氮化铝晶格中的分布主要有两种形式,一种是分布在晶界处,呈连续相分布,另一是分布在晶界三角处,呈孤立相分布。

氮化铝陶瓷
由图可得,相对于第二相分布于晶界处氮化铝陶瓷,第二相分布于晶界三角处的氮化铝陶瓷具有更好的热传导性能,因为后者在氮化铝热传导过程中产生的相干散射要少。上图为氮化铝陶瓷中第二相不同分布的的显微模型,形象地说明了第二相位于晶界三角处比位于晶界处对氮化铝热传导影响要小。
总结
综合来看,为了提高陶瓷材料的导热系数,可采用以下方法:尽量提高陶瓷材料的纯度,尽量不添加或少添加外加剂,但为了提高材料的密度和控制晶粒大小,添加一定量的外加剂还是必要的;适当控制原料颗粒尺寸可使其导热系数显著增加;提高陶瓷材料的密度,减少气孔和玻璃相,使其尽量接近理论密度等等。
资料来源:
低温烧结高热导氮化铝陶瓷及其热传导性能研究,杨清华。
高导热陶瓷材料的研究现状与前景分析,江期鸣,黄惠宁,孟庆娟,张王林,黄辛辰,张国涛。

转载自:粉体圈,仅供参考。

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