一文看常见的高导热陶瓷材料

陶瓷材料传热性能对其拓展应用领域具有极其重要的影响,在一定范围内,通过特定方法增加陶瓷材料的导热系数,将会提高其热传导、热对流、热辐射的能力,进一步拓展其应用领域。高导热系数陶瓷材料主要以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主,如聚晶金刚石陶瓷、AlN、BeO、Si3N4、SiC等陶瓷材料。

陶瓷材料传热性能对其拓展应用领域具有极其重要的影响,在一定范围内,通过特定方法增加陶瓷材料的导热系数,将会提高其热传导、热对流、热辐射的能力,进一步拓展其应用领域。高导热系数陶瓷材料主要以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主,如聚晶金刚石陶瓷、AlN、BeO、Si3N4、SiC等陶瓷材料。

1、聚晶金刚石陶瓷(PCD陶瓷)

金刚石的传热能力很强,其单晶体在常温下热导率理论值为1642W/m·K,实测值为2000W/m·K。但金刚石大单晶难以制备,且价格昂贵。聚晶金刚石烧结过程中往往需要加入助烧剂以促进金刚石粉体之间的粘结,从而得到高导热PCD陶瓷。但在高温烧结过程中,助烧剂会催化金刚石粉碳化,使聚晶金刚石不再绝缘。金刚石小单晶常被作为提高陶瓷热导率的增强材料添加到导热陶瓷中,以起到提高陶瓷导热率的作用。

聚晶金刚石陶瓷既是工程材料,又是新型的功能性材料。目前,聚晶金刚石陶瓷以其优良的力、热、化学、声、光、电等性能,在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应用。

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图1 聚晶金刚石陶瓷

2、SiC陶瓷

目前碳化硅(SiC)是国内外研究较为活跃的导热陶瓷材料。SiC的理论热导率非常高,已达到270W/m·K。但由于SiC陶瓷材料的表面能与界面能的比值低,即晶界能较高,因而很难通过常规方法烧结出高纯致密的SiC陶瓷。采用常规的烧结方法时,必须添加助烧剂且烧结温度必须达到2050℃以上,但这种烧结条件又会引起SiC晶粒长大,大幅降低SiC陶瓷的力学性能。

 

SiC陶瓷在石油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得了广泛的应用,碳化硅陶瓷已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及高温和高频范围的电子设备零部件等领域。

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图2 SiC陶瓷

 

3、Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷具有高韧性、抗热冲击能力强、绝缘性好、耐腐蚀和无毒等优异的性能,越来越受到国内外研究人员的重视。氮化硅陶瓷的原子键结合强度、平均原子质量和晶体非谐性振动与SiC相似,具备高导热材料的理论基础。Si3N4晶体的理论热导率为200~320W/m·K,但由于氮化硅的结构比AlN的结构更为复杂,对声子的散射较大,因而在目前研究中,烧结出的氮化硅陶瓷的热导率远低于氮化硅单晶,但同时这些特点也限制了其规模化推广与应用。

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图3 Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷作为高温结构陶瓷,具有高强度、耐高温、热传导率高等特点,在陶瓷材料中其综合力学性能最好,耐热震性能、抗氧化性能、耐磨损性能、耐蚀性能好,是热机部件用陶瓷的第一候选材料。在机械工业,氮化硅陶瓷用作轴承滚珠、滚柱、滚球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心轴密封材料等。

 

4、BeO陶瓷

BeO属于六方纤锌矿结构,Be原子和O原子之间距离小,平均原子质量小,原子堆积密集,符合Slack等单晶的热导率的模型高导热陶瓷的条件。1971年Slack和Auaterrman测试出BeO陶瓷和BeO大单晶的热导率,并且计算出BeO大单晶的热导率最高可达到370W/m·K。目前制备出的BeO陶瓷的热导率可达到280W/m·K,是Al2O3陶瓷的10倍。

BeO广泛应用于航天航空,核动力,冶金工程,电子工业,火箭制造等。在航空电子技术转换电路中以及飞机和卫星通讯系统中大量用BeO来作托架部件和装配件;在飞船电子学方面也有应用前景,利用BeO陶瓷具有特别高的耐热冲击性,可在喷气式飞机的导火管中使用。经金属涂层的BeO板材已用于飞机驱动装置的控制系统;福特和通用汽车公司在汽车点火装置中使用了喷涂金属的氧化铍衬片[13]。BeO陶瓷的导热性能良好,而且易于小型化,在激光领域的应用前景广阔,如BeO激光器比石英激光器的效率高,输出功率大。

 

5、AlN陶瓷

 

AlN陶瓷是目前应用较高的高导热材料。AlN单晶的理论热导率可以达到3200W/m·K,但是由于烧结过程中不可避免的杂质掺入和缺陷,这些杂质在AlN晶格中产生各种缺陷使声子的平均自由度减小,从而大幅降低其热导率。除了AlN晶格缺陷对其热导率的影响外,晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布对AlN陶瓷热导率也有着重要影响。晶粒尺寸越大,声子平均自由度越大,烧结出的AlN陶瓷热导率就越高,但根据烧结理论,晶粒越大,聚晶体陶瓷越难烧结。

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图4 AlN陶瓷

由于AlN是一种典型的共价合物,具有很高的熔点,在烧结的过程中原子的自扩散系数小、晶界能较高,因而通常很难采用常规的烧结方法烧结出高纯的AlN陶瓷,必须添加助烧剂来促进烧结。此外所添加的适当的助烧剂还可以与晶格中的氧发生反应,生成第二相,净化AlN晶格,提高热导率。

常见的AlN陶瓷助烧剂有:Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。目前国内外对添加适当的助烧剂烧结高导热AlN陶瓷进行了广泛研究,并且制备出热导率达到200W/m·K左右的高导热AlN陶瓷。添加助烧剂烧结高导热AlN陶瓷的方法目前已广泛应用于生产中,但是由于AlN陶瓷烧结时间长、烧结温度高、高品质AlN粉体价格贵等原因,导致AlN陶瓷制作成本高。

 

参考文献:

1、孙坤,雍岐龙,裴和中,高导热电绝缘陶瓷的研究方向及应用前景,昆明理工大学学报(自然科学版)。

2、曾令可,漆小玲,王慧等,氧化物热电材料热导率的研究,硅酸盐通报。

3、江期鸣黄惠宁孟庆娟,高导热陶瓷材料的研究现状与前景分析,陶瓷。

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