如何提升氮化鋁陶瓷等導(dǎo)熱材料性能

材料本身的屬性，其實(shí)在很大程度上決定了它的應(yīng)用，像大部分陶瓷材料的熱傳遞性能就比金屬材料要差，因此在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用也不如金屬材料多。
金屬板與陶瓷板
但即便如此，由于陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕以及在聲、光、電、熱、磁等方面的優(yōu)異特性，因此在特定的場合下，導(dǎo)熱性能較好且絕緣的陶瓷一樣可以取代金屬而發(fā)揮作用，一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主，如AlN?BeO、Si3N4、SiC、BN等。近年來這些高導(dǎo)熱率陶瓷的應(yīng)用變得十分廣泛，其中最知名的莫過于陶瓷基板。
導(dǎo)熱陶瓷的傳熱原理
熱傳導(dǎo)過程是材料內(nèi)部的能量傳輸過程，但能量傳輸不是沿著一條直線從物體的一端傳到另一端，而是采用擴(kuò)散的形式，在傳播過程中會因碰撞而與直線方向有所偏離。熱能的載荷者為電子、聲子、光子和磁激發(fā)。
由于陶瓷屬于共價(jià)化合物，內(nèi)部的電子是被束縛的，不能自由移動，因此其熱傳導(dǎo)是通過晶體結(jié)構(gòu)基元（原子、離子或分子）的相互制約或相互諧調(diào)的振動來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)晶格完整無缺陷時(shí)，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率就越高。一般高熱導(dǎo)率非金屬材料都具備晶體結(jié)構(gòu)簡單、晶格缺陷、雜質(zhì)和空洞少、德拜溫度高等特點(diǎn)。
陶瓷材料熱導(dǎo)率的影響因素
雖然上文解釋了高熱導(dǎo)率陶瓷應(yīng)具備的特點(diǎn)，但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，晶體或多或少還是會存在缺陷的，而且其結(jié)構(gòu)基元的分布也會有差異。因此除了固有的聲子-聲子散射降低氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率外，陶瓷中的各種缺陷就是影響熱導(dǎo)率的主要因素。下面以AlN陶瓷為例，列舉一下都有哪些惱人的缺陷在影響它導(dǎo)熱性能的發(fā)揮。
氮化鋁陶瓷基板
1.氧雜質(zhì)
如同所有的固體介質(zhì)，氮化鋁的晶格雜質(zhì)會對其導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生不利影響，其中主要的雜質(zhì)是晶格氧。Slack在其單晶研究基礎(chǔ)上，提出了氧原子會固溶入氮化鋁晶格，由于氧原子與氮原子是非等價(jià)置換，根據(jù)缺陷方程會導(dǎo)致一個(gè)鋁空缺三個(gè)氧原子，如下缺陷方程所示：
這就造成了大量鋁格位和鋁空位的產(chǎn)生，使得氮化鋁晶格呈現(xiàn)出非諧性，影響聲子散射，從而使氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率急劇降低。Bachelard等研究表明：當(dāng)?shù)X中氧含量為0.12wt%時(shí)，其熱導(dǎo)率降至185W/（m·K），而當(dāng)氧含量上升至0.31wt%時(shí)，其熱導(dǎo)率僅為130W/（m·k）。
2.致密度
根據(jù)氮化鋁的熱傳導(dǎo)性能，低致密度的樣品存在的大量氣孔，會影響聲子的散射，降低其平均自由程，進(jìn)而降低氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率。同時(shí)，低致密度的樣品其機(jī)械性能也可能達(dá)不到相關(guān)應(yīng)用要求。因此，高致密度是氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率的前提。
3.微觀結(jié)構(gòu)
氮化鋁陶瓷燒結(jié)過程中常加入一些助劑以降低氮化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。但同時(shí)產(chǎn)生的第二相可能會存在氮化鋁晶格中，在氮化鋁熱傳導(dǎo)過程中其也會發(fā)生散射，從而影響氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率。第二相在氮化鋁晶格中的分布主要有兩種形式，一種是分布在晶界處，呈連續(xù)相分布，另一是分布在晶界三角處，呈孤立相分布。

由圖可得，相對于第二相分布于晶界處氮化鋁陶瓷，第二相分布于晶界三角處的氮化鋁陶瓷具有更好的熱傳導(dǎo)性能，因?yàn)楹笳咴诘X熱傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生的相干散射要少。上圖為氮化鋁陶瓷中第二相不同分布的的顯微模型，形象地說明了第二相位于晶界三角處比位于晶界處對氮化鋁熱傳導(dǎo)影響要小。
總結(jié)
綜合來看，為了提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可采用以下方法：盡量提高陶瓷材料的純度，盡量不添加或少添加外加劑，但為了提高材料的密度和控制晶粒大小，添加一定量的外加劑還是必要的；適當(dāng)控制原料顆粒尺寸可使其導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加；提高陶瓷材料的密度，減少氣孔和玻璃相，使其盡量接近理論密度等等。
資料來源：
低溫?zé)Y(jié)高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷及其熱傳導(dǎo)性能研究，楊清華。
高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析，江期鳴，黃惠寧，孟慶娟，張王林，黃辛辰，張國濤。

轉(zhuǎn)載自：粉體圈，僅供參考。