Quali sono i materiali ceramici ad alta conducibilità termica?
La conducibilità termica dei materiali ceramici svolge un ruolo importante nella loro applicazione. In un certo intervallo, l'aumento della conduttività termica dei materiali ceramici con metodi specifici migliorerà la capacità di conduzione, convezione e irraggiamento del calore, in modo da ampliare ulteriormente il campo di applicazione. I materiali ceramici ad alta conducibilità termica sono composti principalmente da ossidi, nitruri, carburi e boruri, come la ceramica di diamante policristallino, il nitruro di alluminio, l'ossido di berillio, il nitruro di silicio e il carburo di silicio.
Diamante policristallino (PCD)
Il diamante ha una forte conducibilità termica. Il valore teorico della conducibilità termica del cristallo singolo è di 1642W/m-K a temperatura ambiente, mentre il valore misurato è di 2000W/m-K. Tuttavia, il diamante a cristallo singolo di grandi dimensioni è difficile da preparare e costoso. Nel processo di sinterizzazione del diamante policristallino, spesso vengono aggiunti degli ausiliari di sinterizzazione per promuovere il legame tra le polveri di diamante in modo da ottenere ceramiche PCD ad alta conducibilità termica. Tuttavia, l'assistente alla sinterizzazione può catalizzare la carbonizzazione della polvere di diamante nel processo di sinterizzazione ad alta temperatura, per cui il diamante policristallino non è più isolato. Il piccolo cristallo singolo di diamante viene spesso aggiunto alle ceramiche a conducibilità termica come materiale di rinforzo per migliorare la conducibilità termica delle ceramiche.
Le ceramiche di diamante policristallino sono sia materiali ingegneristici che nuovi materiali funzionali. Attualmente, le ceramiche in diamante policristallino sono state ampiamente utilizzate nei settori dell'industria moderna, della difesa nazionale e dell'alta e nuova tecnologia grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, termiche, chimiche, acustiche, ottiche ed elettriche.
Carburo di silicio
Attualmente, il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico attivo nella conduzione termica in patria e all'estero. La conducibilità termica teorica del carburo di silicio è molto elevata e raggiunge i 270W/m-K. Tuttavia, poiché il rapporto tra l'energia superficiale e l'energia interfacciale dei materiali ceramici SiC è basso, ovvero l'energia di confine dei grani è elevata, è difficile produrre ceramiche SiC di elevata purezza e densità con i metodi di sinterizzazione convenzionali. Quando si utilizzano i metodi di sinterizzazione convenzionali, è necessario aggiungere AIDS di sinterizzazione e la temperatura di sinterizzazione deve essere superiore a 2050 ℃. Tuttavia, questa condizione di sinterizzazione provoca la crescita di grani di SiC e riduce significativamente le proprietà meccaniche della ceramica SiC.
Le ceramiche al carburo di silicio sono state ampiamente utilizzate nei cuscinetti ad alta temperatura, nelle piastre antiproiettile, negli ugelli, nelle parti resistenti alla corrosione ad alta temperatura, nelle parti di apparecchiature elettroniche ad alta temperatura e ad alta frequenza e in altri campi.
Nitruro di silicio
Le ceramiche a base dinitruro di silicio (Si3N4) sono state oggetto di crescente attenzione da parte dei ricercatori nazionali e internazionali per le loro eccellenti proprietà, come l'elevata tenacità, la forte resistenza agli shock termici, il buon isolamento, la resistenza alla corrosione e la non tossicità. La forza di legame, la massa atomica media e la vibrazione anarmonica delle ceramiche al nitruro di silicio sono simili a quelle del SiC. La conducibilità termica teorica dei cristalli di nitruro di silicio è di 200 ~ 320 W/m-K. Tuttavia, poiché la struttura del Si3N4 è più complessa di quella del nitruro di alluminio (AlN) e la dispersione dei fononi è maggiore, la conducibilità termica della ceramica Si3N4 sinterizzata è di gran lunga inferiore a quella del cristallo singolo Si3N4 nel presente studio, il che limita anche la sua promozione e applicazione su scala.
Ossido di berillio
L'ossido di berillio (BeO) appartiene alla struttura esagonale wurtzite, con una piccola distanza tra gli atomi di Be e gli atomi di O, una piccola massa atomica media e un denso accumulo atomico, conforme alle condizioni del modello di Slack con l'elevata conducibilità termica del cristallo singolo.
elevata conducibilità termica del cristallo singolo. Nel 1971, Slack e Auaterrman testarono la conducibilità termica della ceramica BeO e del cristallo singolo BeO di grandi dimensioni e calcolarono che la conducibilità termica del cristallo singolo BeO di grandi dimensioni poteva raggiungere i 370 W/m-K. Attualmente, la conduttività termica delle ceramiche BeO preparate può raggiungere i 280 W/m-K, un valore 10 volte superiore a quello delle ceramiche in ossido di alluminio (Al2O3).
L'ossido di berillio è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, nell'energia nucleare, nell'ingegneria metallurgica, nell'industria elettronica, nella produzione di razzi e così via. L'ossido di berillio è ampiamente utilizzato come parti e gruppi portanti nei circuiti di conversione dell'avionica e nei sistemi di comunicazione aeronautici e satellitari; le ceramiche di BeO hanno una resistenza agli shock termici particolarmente elevata e possono essere utilizzate nei tubi antincendio degli aerei a reazione; la piastra di BeO rivestita di metallo è stata utilizzata nel sistema di controllo del dispositivo di azionamento dell'aereo; Ford e General Motors utilizzano rivestimenti in ossido di berillio spruzzato di metallo nei sistemi di accensione delle automobili; l'ossido di berillio ha una buona conducibilità termica ed è facilmente miniaturizzabile, per cui ha ampie prospettive di applicazione nel campo del laser. Ad esempio, il laser BeO ha una maggiore efficienza e una maggiore potenza di uscita rispetto al laser al quarzo.
Nitruro di alluminio (AlN)
Leceramiche al nitruro di alluminio sono i materiali ad alta conducibilità termica più utilizzati. La conducibilità termica teorica del cristallo singolo di nitruro di alluminio può raggiungere i 3200W/m-K. Tuttavia, a causa delle impurità e dei difetti inevitabili nel processo di sinterizzazione, queste impurità producono vari difetti nel reticolo dell'AlN, che riducono la libertà media dei fononi e quindi riducono notevolmente la loro conducibilità termica. Oltre all'effetto dei difetti del reticolo di AlN sulla conducibilità termica, anche la dimensione dei grani, la morfologia e il contenuto e la distribuzione della seconda fase del bordo dei grani hanno effetti importanti sulla conducibilità termica delle ceramiche di AlN. Maggiore è la dimensione dei grani, maggiore è la libertà media dei fononi e maggiore è la conducibilità termica della ceramica AlN sinterizzata.
Essendo un tipico complesso covalente, il nitruro di alluminio ha un elevato punto di fusione, un basso coefficiente di autodiffusione atomica e un'elevata energia di confine dei grani durante la sinterizzazione. Pertanto, è difficile produrre ceramiche AlN di elevata purezza con i metodi di sinterizzazione convenzionali. Inoltre, l'aggiunta di AIDS appropriati può reagire con l'ossigeno nel reticolo per formare una seconda fase, purificare il reticolo di AlN e migliorare la conduttività termica.
I comuni ausiliari di sinterizzazione della ceramica AlN sono l'ossido di ittrio (Y2O3), il carbonato di calcio (CaCO3), il fluoruro di calcio (CaF2), il fluoruro di itterbio (YF3), ecc. Attualmente, le ceramiche AlN ad alta conducibilità termica sono state ampiamente studiate aggiungendo appropriati AIDS di sinterizzazione in patria e all'estero, e sono state preparate ceramiche AlN con un'alta conducibilità termica fino a circa 200 W/m-K. Tuttavia, il costo di produzione della ceramica AlN è elevato a causa dei lunghi tempi di sinterizzazione, dell'alta temperatura di sinterizzazione e del prezzo della polvere di AlN di alta qualità.
