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陶瓷材料热导率的影响因素及提高方法

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发表时间:2019-06-28 10:46来源:网络

冬天,当我们躺在暖暖的被窝里,会觉得不那么冷了;而起床时,要穿上厚厚的棉拖,否则,冰凉的瓷砖,会传来刺骨的冷。为什么棉被和瓷砖会带给我们如此不同的感受呢?这一切都是由于材料的一个重要的物理参量-热导率,其对材料的研究有着重要意义。

以陶瓷材料为例,其导热性能,与其化学组成、组织结构、密度、烧结工艺等因素有关。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,制备得到具有对热能强吸收、高存储、强散热及高导热系数的陶瓷材料,进一步拓展陶瓷材料的应用领域。下文中,小编简要介绍陶瓷材料热导率的影响因素及提高热导率方法。

一、陶瓷材料热导率影响因素

1、化学组成

普通陶瓷的导热系数是(0.02~1.5)W/(m·K)。在实际应用中,低的导热系数陶瓷材料远不能满足节能、高效及特殊性能的需求。组分掺杂是提高陶瓷材料导热系数的一种重要方法。这种方法按掺杂组分性质的不同可以分为两种:添加非金属材料或者添加金属材料。


在电子封装材料应用领域,通过氮化铝陶瓷复合粉体制备氮化铝(AlN)为主的特种陶瓷,导热系数达到210W/(m.k),能耐2200℃以上的高温。具有热导率高、机械性能稳定强和优秀的电气绝缘性能,具有极高的绝缘电阻和低的介质损耗,是新一代大规模集成电路以及功率电子产品的理想导热陶瓷材料。

2、原料粉体颗粒尺寸

原料粉体的粒度、纯度、物相会对陶瓷材料的热导率、力学性能产生重要影响。当颗粒尺寸越大时,陶瓷的致密化过程延迟会越明显,在陶瓷的制备过程中,陶瓷内部不可避免地会出现气孔,一般气孔越多,材料的热传导性能相应会提高。

当陶瓷粉体颗粒尺寸下降至纳米级别时,其导热系数将随之降低。纳米微粒的表面效应和小尺寸效应改变了材料本身的性质。晶粒尺寸减小、分布变窄,晶界与气孔的分离区减小以及烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长,陶瓷体晶粒分布均匀。因此,当粉体颗粒尺寸较小时,陶瓷的导热系数将随着颗粒尺寸下降而减小。在实际生产时,适当控制原料粉体颗粒尺寸,能够改善陶瓷材料的热传性能。



3、气孔

在气孔率相同的条件下,气孔尺寸越大,导热系数越大。互相连通型的气孔比封闭型气孔的导热系数高。封闭气孔率越高,则导热系数越低。产生这种现象的原因是:气孔的尺寸越大,气孔内气体对流和孔壁之间的辐射传热就会越大。这与材料的密度对导热系数的影响刚好相反。虽然如此,统筹两种方法的效果后,可以同时采取两种措施来改进材料的导热系数。在对多孔陶瓷的研究中,人们还得出:当气孔尺寸小于4μm时,材料内部的对流传热可以忽略。

此外,在多孔陶瓷中,对流、辐射、热传导等热量传递方式都存在。因此,在对陶瓷的导热系数进行分析时,应综合考虑气孔的孔径大小、分布情况和连通方式。

4、组织结构

陶瓷材料内部组织结构是影响其导热系数的重要因素。内部组织结构对陶瓷导热系数的影响主要是由材料的声子导热机理决定的。为了增加材料的导热性,可以向材料内部引入一些能够提高其导热性的物料。考虑到这些材料在陶瓷制备过程中可能与原有物质发生一系列物理化学反应而对陶瓷内部结构产生影响,以及由于这些物料的加入有可能引起的陶瓷内部缺陷的出现。因此,对添加其它相的陶瓷的结构变化进行讨论是十分必要的。陶瓷的导热系数在很大程度上取决于填充剂的导热性能以及其在陶瓷制备过程中形成的内部结构。

例如,在多孔陶瓷中,沿气孔表面分布的杂质,如杂质原子、晶格缺陷等,会随着陶瓷内部热量的释放,从气孔的热端迁移到冷端,并且在气孔表面析出。这个过程将对陶瓷材料的热吸收过程产生重大影响,从而进一步影响材料的热传递性能。


5、烧结工艺

在陶瓷制造工艺过程中,烧结是最重要的工序之一。该过程将影响坯体的一系列物理化学变化,并影响成品的显微结构和矿物组成。在烧结过程中,陶瓷组成成分的不同将发生不同的变化。在烧结过程中温度的高低、时间的长短、升降温速度、最高烧成温度以及保温时间都会影响陶瓷材料的导热系数。

二、陶瓷材料热导率的提高方法

陶瓷材料热导率的提高方法主要有组分掺杂、控制原料粉体尺寸和改善陶瓷材料内部结构。在实际应用过程中,陶瓷导热系数的提高是多种变量综合作用的结果。

1、组分掺杂

为了提高陶瓷材料的导热系数,则需要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,还可以适量掺杂一些具有高导热系数的非金属(Al2O3、Fe2O3等)、金属(如Cu等)以及在陶瓷表面负载特定有机物形成高导热复合材料。


2、控制颗粒尺寸

当原料颗粒尺寸下降至纳米级别时,陶瓷材料的导热系数降低,适当控制颗粒尺寸可使其导热系数显著增加。此外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,也可提高陶瓷材料的导热系数。

3、改善陶瓷材料内部结构

陶瓷材料内部结构对其导热系数的影响较复杂,内部热传递方式根据不同情况有多种,例如陶瓷材料内部结构中的互相连通型的气孔比封闭型气孔的导热系数高。封闭气孔率越高,则导热系数越低。其他组分的添加有可能在陶瓷的烧成过程中改变其内部结构,影响陶瓷性能。在某种情况下,选择采取措施改变陶瓷的内部结构以满足特定的功能需要。气孔的连通方式、原料颗粒尺寸的大小、如微裂纹等内部缺陷的出现都将会对材料的导热系数有重大影响。

内部缺陷和显微结构对陶瓷导热系数的影响主要是由材料的声子导热机理决定的。各类缺陷都是引起声子散射的中心,这些这些缺陷都会减小声子平均自由程和导热系数。