中國粉體網(wǎng)訊 大部分陶瓷材料的熱傳遞性能與金屬材料相比要差很多，但陶瓷材料的高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕、材料來源廣泛以及在聲、光、電、熱、磁等方面的優(yōu)異特性和生物、化學(xué)等的獨(dú)特性質(zhì)，使其應(yīng)用范圍十分廣泛。在一些導(dǎo)熱、散熱領(lǐng)域，陶瓷材料具有的高導(dǎo)熱、低導(dǎo)電性能使它能夠取代金屬而發(fā)揮作用，例如應(yīng)用于電子封裝等。
“高導(dǎo)熱”的概念
熱導(dǎo)率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，是指材料直接將熱能由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的能力。導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的宏觀物理量，它指的是單位溫度降低下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。Slack Ga研究了金剛石、C-BN、BP、SiC和AlN的熱導(dǎo)率，提出了用于預(yù)測(cè)無機(jī)非金屬材料熱導(dǎo)率的公式如下：
在此基礎(chǔ)上，Slack Ga歸納了高熱導(dǎo)率材料應(yīng)具備的４個(gè)條件：原子質(zhì)量小、鍵合強(qiáng)度高、晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及晶格非簡(jiǎn)諧振動(dòng)小。
五大熱門高導(dǎo)熱陶瓷一覽
目前熱門的導(dǎo)熱陶瓷材料主要有氧化鈹、氮化鋁、碳化硅、氮化硅、氧化鋁和聚晶金剛石（PCD）陶瓷等。其中Al2O3陶瓷價(jià)格低廉、強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、絕緣性強(qiáng)，是目前行業(yè)研究最透徹、應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料之一。但相比于其它陶瓷材料，Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，且國內(nèi)外研究人員也使用了各種燒結(jié)方法和不同的助燒劑，但都無法進(jìn)一步大幅提高Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率，因此，一般不將Al2O3歸為高導(dǎo)熱陶瓷。
部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)
AlN陶瓷
AlN的熱導(dǎo)率理論上可達(dá)320W/(m·K)，但是由AlN缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生鋁空位而散射聲子，使得實(shí)際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率不到200W/(m·K)。AlN主要靠聲子傳熱，在熱傳輸過程中，晶體中的缺陷、晶界、氣孔、電子以及聲子本身都會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而影響AlN基板的熱導(dǎo)率。
（圖片來源：廈門鉅瓷）
因此在燒結(jié)時(shí)，需添加一些助燒劑來促進(jìn)燒結(jié)。添加合適的助燒劑可以與晶格中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成第二相，凈化AlN晶格，提高熱導(dǎo)率。常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、Sm2O、CaCO3、CaF2、YF3等。添加助燒劑燒結(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的方法已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，AlN陶瓷也正大規(guī)模應(yīng)用于電子封裝材料和大規(guī)模散熱材料。但是由于AlN陶瓷燒結(jié)時(shí)間長、燒結(jié)溫度高、高品質(zhì)AlN粉價(jià)格貴等原因?qū)е翧lN陶瓷制作成本高，此外AlN易吸潮、易氧化等特點(diǎn)都制約了其大規(guī)模推廣與應(yīng)用。
Si3N4陶瓷
氮化硅（Si3N4）的原子鍵結(jié)合強(qiáng)度、平均原子質(zhì)量和晶體非諧性振動(dòng)與SiC相似，具備高導(dǎo)熱材料的理論基礎(chǔ)。Haggerty等人計(jì)算出室溫時(shí)氮化硅晶體的理論熱導(dǎo)率為200—320W/mK，但是由于氮化硅的結(jié)構(gòu)比AlN的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，因而目前研究中，燒結(jié)出的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于氮化硅單晶。
（圖片來源：澳秦新材料）
WatariK、HiraoK、Hirosaki、Okamato等采用多種措施制備出了熱導(dǎo)率在100~162W/mK的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷。氮化硅無論在高溫還是在常溫下都具有高韌性、抗熱沖擊能力強(qiáng)、絕緣性好、耐腐蝕和無毒等優(yōu)異的性能，這使其越來越受到國內(nèi)外研究學(xué)者的重視。
PCD陶瓷
在目前已知所有材料中，金剛石的傳熱能力最強(qiáng)，其單晶體在常溫下熱導(dǎo)率的理論值為1642W/mk，實(shí)測(cè)值為2000W/mK。但金剛石大單晶難以制備且價(jià)格極其昂貴，從技術(shù)角度與經(jīng)濟(jì)角度考慮，作為電子封裝材料目前都是不可行的。聚晶金剛石燒結(jié)過程中往往需要加入助燒劑促進(jìn)金剛石粉體之間的粘結(jié)，也可以得到高導(dǎo)熱PCD陶瓷。但在高溫?zé)Y(jié)過程中，助燒劑會(huì)催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣，導(dǎo)致添加助燒劑的聚晶金剛石陶瓷（PCD）不宜應(yīng)用在電子封裝領(lǐng)域。金剛石小單晶常被用作提高陶瓷熱導(dǎo)率的增強(qiáng)材料添加到導(dǎo)熱陶瓷中，起到提高陶瓷導(dǎo)熱率的作用。研究發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)AlN陶瓷時(shí)，適量的添加納米級(jí)的金剛石可以大幅提高AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。
BeO陶瓷
1971年Slack和Austerman測(cè)試出BeO陶瓷和BeO大單晶的熱導(dǎo)率，并且計(jì)算出BeO大單晶的熱導(dǎo)率最高達(dá)到370W/mK。目前制備出的BeO陶瓷的熱導(dǎo)率可達(dá)到280W/mK，是Al2O3陶瓷的10倍，但BeO具有劇毒，人體吸入會(huì)導(dǎo)致急性肺炎，長期吸入對(duì)人的健康產(chǎn)生極其嚴(yán)重的危害。
（圖片來源：北龍電子）
SiC陶瓷
目前碳化硅（SiC）是國內(nèi)外研究較為活躍的導(dǎo)熱陶瓷材料。SiC的理論熱導(dǎo)率非常高，達(dá)到270W/mK。但由于SiC陶瓷材料的表面能與界面能的比值低，即晶界能較高，因而很難通過常規(guī)方法燒結(jié)出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結(jié)方法時(shí)，必須添加助燒劑且燒結(jié)溫度必須達(dá)到2050℃以上，這種燒結(jié)條件又會(huì)引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學(xué)性能。
（晶舟，來源：濰坊華美）
隨著科技的不斷發(fā)展，碳化硅陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用日益普遍，如研磨盤、夾具、工作臺(tái)等。高熱導(dǎo)率是其應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備元器件的關(guān)鍵指標(biāo)，因此加強(qiáng)高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷的研究至關(guān)重要。減少晶格氧含量、提高致密性、合理調(diào)控第二相在晶格中的分布方式是提高碳化硅陶瓷熱導(dǎo)率的主要方法。
如何提高陶瓷材料的熱導(dǎo)率
為了提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，則需要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，還可以適量摻雜一些具有高導(dǎo)熱系數(shù)的非金屬（Fe2O3）、金屬（如Cu等）以及在陶瓷表面負(fù)載特定有機(jī)物形成高導(dǎo)熱復(fù)合材料。
當(dāng)原料顆粒尺寸下降至納米級(jí)別時(shí)，陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，適當(dāng)控制顆粒尺寸可使其導(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，也可提高陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。氣孔對(duì)陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響較復(fù)雜，內(nèi)部熱傳遞方式根據(jù)不同情況有多種，互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導(dǎo)熱系數(shù)高。封閉氣孔率越高，則導(dǎo)熱系數(shù)越低。
內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要是由材料的聲子導(dǎo)熱機(jī)理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心，這些缺陷都會(huì)減小聲子平均自由程和導(dǎo)熱系數(shù)。其他組分的添加有可能在陶瓷的燒成過程中改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響陶瓷性能。在某種情況下，選擇采取措施改變陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以滿足特定的功能需要。
熱處理過程對(duì)陶瓷的影響是十分顯著的，其溫度的高低、時(shí)間的長短、升降溫速度、最高燒成溫度以及保溫時(shí)間都會(huì)影響陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
參考來源：
[1]張迎新.高壓快速制備高導(dǎo)熱陶瓷
[2]江期鳴等.高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析
[3]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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