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影响陶瓷基板传热性的陶瓷材料因素有哪些?

 时间:2022-05-10     浏览:1003     分享

随着技术的发展,导热陶瓷作为一种具有高导热、高熔点、高硬度、高耐磨、抗氧化、耐腐蚀的材料,已在化工、微电子、汽车、航空航天、激光等领域。

 

为了扩大导热陶瓷基板的应用范围,提高其传热性能具有重要意义。但在此之前,重要的是要了解影响陶瓷导热性的因素,以下是影响因素的简要概述。

 

陶瓷的传热方式有对流、辐射和热传导三种,陶瓷基板的导热系数与其成分、内部结构、密度、湿度、热处理温度、压力等因素有关。

 

传统陶瓷板的导热性不好,因为导热率低的原因与原材料是分不开的。而传统陶瓷的原料主要是导热性差的粘土、石英、长石等天然原料。因此,为了提高陶瓷的导热性,掺杂成分就得进去。这种方法可以根据掺杂成分的不同性质分为两种,一种是在陶瓷中加入非金属材料,另一种是在陶瓷中加入非金属材料,是添加金属材料。

 

有一个添加非金属材料的例子,红色瓷砖的导热性比普通瓷砖好,因为它们的Fe2O3和莫来石结晶相。添加适量AI2O3可提高瓷砖的导热性,但添加过多可提高陶瓷的烧结温度。为了减少不利影响,一些研究人员利用石墨烯和氧化铝的协同作用来改变材料的内部结构,从而获得导热性能更好的陶瓷材料。

 

还有另一个添加金属材料的例子,金属的传热性能优于大多数陶瓷板,两者结合可以有效提高陶瓷基板的导热性能。有研究人员成功制备了陶瓷与金属铜相互扩散形成的稳定金属渗透梯度层,有效降低了陶瓷板材料的热阻。

 

1、毛孔

在烧结过程中,由于粉体中存在有机物或无机盐、粒状杂质(如铁、未研磨的残渣颗粒等)和过量的玻璃相,会在体内产生较大的气孔或气泡。孔隙的出现不可避免地会改变陶瓷材料的传热方式,对传热产生重大影响。

热传导是高密度、低温陶瓷的主要传热方式,而多孔陶瓷基板中存在对流、辐射和热传导等传热方式。因此,在分析陶瓷的导热系数时,应综合考虑孔径、分布和连接方式。

 

2、内部缺陷和微观结构

内部缺陷和微观结构对陶瓷热导率的影响主要由材料的声子热传导机制决定。各种缺陷是声子散射的中心,因此会降低声子的平均自由程和热导率。内部缺陷也是声子散射的中心,这样的中心越多,声子散射造成的能量损失就越多。因此,在寻求提高材料热导率的有效方法的同时,应采取添加烧结助剂、增加烧结时间等措施,减少材料缺陷的发生。


例如碳化硅(SiC)和氮化铝(AIN)都是常用的高导热陶瓷基板,它们的混合物理论上应该具有更好的导热性。但实验结果表明,虽然SiC陶瓷在加入一定量的氮化铝粉后变得更加致密,但杂质与主要原子之间的粒径、原子间力等力存在着差异,由此产生的内部缺陷会导致碳化硅陶瓷基板的热导率降低。

 

3、热处理工艺

热处理是陶瓷基板制造过程中最重要的工序之一,它会影响毛坯的一系列物理化学变化,以及成品的显微组织和矿物成分,陶瓷基板陶瓷材料的不同成分在热处理过程中也会发生变化。

 

综上所述,要提高陶瓷基板的传热性能,应综合考虑多个变量,如提高陶瓷板材料的纯度、增加陶瓷板材料的密度、减少结构缺陷、减少气孔、减少晶界和减少玻璃相,适当控制粒度和合理的烧成系统。此外,添加石墨烯、类石墨烯等非金属材料来提高陶瓷基板陶瓷材料的导热性也可能是值得进一步研究的手段。