Какие керамические материалы обладают высокой теплопроводностью?

Теплопроводность керамических материалов играет важную роль в их применении. В определенном диапазоне повышение теплопроводности керамических материалов с помощью специальных методов улучшит их способность к теплопроводности, тепловой конвекции и тепловому излучению, что позволит еще больше расширить область их применения. Керамические материалы с высокой теплопроводностью в основном состоят из оксидов, нитридов, карбидов и боридов, таких как поликристаллическая алмазная керамика, нитрид алюминия, оксид бериллия, нитрид кремния и карбид кремния.

Поликристаллический алмаз (ПКД)

Алмаз обладает высокой теплопроводностью. Теоретическое значение теплопроводности его монокристалла составляет 1642 Вт/м-К при комнатной температуре, а измеренное значение - 2000 Вт/м-К. Однако крупный монокристалл алмаза трудно приготовить и он дорого стоит. В процессе спекания поликристаллического алмаза часто добавляют спекающие СПИДы, которые способствуют сцеплению алмазных порошков, чтобы получить керамику PCD с высокой теплопроводностью. Однако помощник спекания может катализировать карбонизацию алмазного порошка в процессе высокотемпературного спекания, так что поликристаллический алмаз перестает быть изолированным. Мелкий монокристалл алмаза часто добавляют в теплопроводную керамику в качестве армирующего материала для улучшения теплопроводности керамики.

Поликристаллическая алмазная керамика - это и инженерные материалы, и новые функциональные материалы. В настоящее время поликристаллическая алмазная керамика широко используется в области современной промышленности, национальной обороны, высоких и новых технологий благодаря своим превосходным механическим, тепловым, химическим, акустическим, оптическим и электрическим свойствам.

Карбид кремния

В настоящее время карбид кремния (SiC) является активным теплопроводным керамическим материалом в стране и за рубежом. Теоретическая теплопроводность карбида кремния очень высока и достигает 270 Вт/м-К. Однако, поскольку отношение поверхностной энергии к межфазной энергии керамических материалов SiC низкое, то есть энергия границ зерен высока, трудно получить керамику SiC высокой чистоты и плотности обычными методами спекания. При использовании обычных методов спекания необходимо добавлять СПИД, а температура спекания должна быть выше 2050 ℃. Однако такое спекание приводит к росту зерен SiC и значительному снижению механических свойств керамики SiC.

Керамика из карбида кремния широко используется в высокотемпературных подшипниках, пуленепробиваемых пластинах, соплах, высокотемпературных коррозионностойких деталях, высокотемпературных и высокочастотных деталях электронного оборудования и других областях.

Нитрид кремния

Керамика изнитрида кремния (Si3N4) привлекает все большее внимание исследователей в стране и за рубежом благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая прочность, сильная устойчивость к тепловым ударам, хорошая изоляция, коррозионная стойкость и нетоксичность. Прочность связи, средняя атомная масса и ангармонические колебания керамики из нитрида кремния аналогичны SiC. Теоретическая теплопроводность кристаллов нитрида кремния составляет 200 ~ 320 Вт/м-К. Однако, поскольку структура Si3N4 сложнее, чем у нитрида алюминия (AlN), а рассеяние фононов больше, теплопроводность спеченной керамики Si3N4 намного ниже, чем у монокристалла Si3N4 в данном исследовании, что также ограничивает ее масштабирование и применение.

Оксид бериллия

Оксид бериллия (BeO) относится к гексагональной вюртцитовой структуре, с малым расстоянием между атомами Be и O, небольшой средней атомной массой и плотным скоплением атомов, что соответствует условиям модели Слака с

высокой теплопроводностью монокристалла. В 1971 году Слэк и Ауатеррман исследовали теплопроводность керамики BeO и крупного монокристалла BeO и рассчитали, что теплопроводность крупного монокристалла BeO может достигать 370 Вт/м-К. В настоящее время теплопроводность подготовленной BeO-керамики может достигать 280 Вт/м-К, что в 10 раз выше, чем у керамики из оксида алюминия (Al2O3).

Оксид бериллия широко используется в аэрокосмической промышленности, атомной энергетике, металлургическом машиностроении, электронной промышленности, ракетостроении и так далее. BeO широко используется в качестве несущих деталей и узлов в схемах преобразования авионики и в системах авиационной и спутниковой связи; керамика BeO обладает особенно высокой стойкостью к тепловому удару и может быть использована в пожарной трубе реактивного самолета; пластина BeO с металлическим покрытием была использована в системе управления приводным устройством самолета; Ford и General Motors используют накладки из оксида бериллия с металлическим напылением в системах зажигания автомобилей; BeO обладает хорошей теплопроводностью и легко миниатюризируется, поэтому имеет широкие перспективы применения в лазерной области. Например, BeO-лазер имеет более высокую эффективность и большую выходную мощность, чем кварцевый лазер.

Нитрид алюминия (AlN)

Керамика на основе нитрида алюминия является наиболее широко используемым материалом с высокой теплопроводностью. Теоретическая теплопроводность монокристалла нитрида алюминия может достигать 3200 Вт/м-К. Однако из-за неизбежных примесей и дефектов в процессе спекания эти примеси создают различные дефекты в решетке AlN, которые уменьшают среднюю свободу фононов и тем самым значительно снижают их теплопроводность. Помимо влияния дефектов решетки AlN на теплопроводность, размер зерна, морфология, содержание и распределение второй фазы по границам зерен также оказывают важное влияние на теплопроводность керамики AlN. Чем больше размер зерна, тем больше средняя свобода фононов, и тем выше теплопроводность спеченной керамики AlN.

Как типичный ковалентный комплекс, нитрид алюминия имеет высокую температуру плавления, низкий коэффициент атомной самодиффузии и высокую энергию границы зерна при спекании. Поэтому обычными методами спекания трудно получить керамику AlN высокой чистоты. Кроме того, добавление соответствующих ожоговых СПИДов может вступить в реакцию с кислородом в решетке с образованием второй фазы, очистить решетку AlN и улучшить теплопроводность.

Распространенными вспомогательными средствами для спекания керамики AlN являются оксид иттрия (Y2O3), карбонат кальция (CaCO3), фторид кальция (CaF2), фторид иттербия (YF3) и т.д. В настоящее время керамика AlN с высокой теплопроводностью была широко изучена путем добавления соответствующих СПИДов для спекания в стране и за рубежом, и была получена керамика AlN с высокой теплопроводностью около 200 Вт/м-К. Однако стоимость производства AlN-керамики высока из-за длительного времени спекания, высокой температуры спекания и цены на высококачественный AlN-порошок.