如何提升氮化鋁陶瓷等導熱材料性能

材料本身的屬性，其實在很大程度上決定了它的應用，像大部分陶瓷材料的熱傳遞性能就比金屬材料要差，因此在導熱領域的應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、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕以及在聲、光、電、熱、磁等方面的優異特性，因此在特定的場合下，導熱性能較好且絕緣的陶瓷一樣可以取代金屬而發揮作用，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。近年來這些高導熱率陶瓷的應用變得十分廣泛，其中最知名的莫過于陶瓷基板。
導熱陶瓷的傳熱原理
熱傳導過程是材料內部的能量傳輸過程，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。
由于陶瓷屬于共價化合物，內部的電子是被束縛的，不能自由移動，因此其熱傳導是通過晶體結構基元（原子、離子或分子）的相互制約或相互諧調的振動來實現的。當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導率就越高。一般高熱導率非金屬材料都具備晶體結構簡單、晶格缺陷、雜質和空洞少、德拜溫度高等特點。
陶瓷材料熱導率的影響因素
雖然上文解釋了高熱導率陶瓷應具備的特點，但在實際工業應用中，晶體或多或少還是會存在缺陷的，而且其結構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率外，陶瓷中的各種缺陷就是影響熱導率的主要因素。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熱性能的發揮。
氮化鋁陶瓷基板
1.氧雜質
如同所有的固體介質，氮化鋁的晶格雜質會對其導熱系數產生不利影響，其中主要的雜質是晶格氧。Slack在其單晶研究基礎上，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置換，根據缺陷方程會導致一個鋁空缺三個氧原子，如下缺陷方程所示：
這就造成了大量鋁格位和鋁空位的產生，使得氮化鋁晶格呈現出非諧性，影響聲子散射，從而使氮化鋁陶瓷熱導率急劇降低。Bachelard等研究表明：當氮化鋁中氧含量為0.12wt%時，其熱導率降至185W/（m·K），而當氧含量上升至0.31wt%時，其熱導率僅為130W/（m·k）。
2.致密度
根據氮化鋁的熱傳導性能，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，進而降低氮化鋁陶瓷的熱導率。同時，低致密度的樣品其機械性能也可能達不到相關應用要求。因此，高致密度是氮化鋁陶瓷具有高熱導率的前提。
3.微觀結構
氮化鋁陶瓷燒結過程中常加入一些助劑以降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度。但同時產生的第二相可能會存在氮化鋁晶格中，在氮化鋁熱傳導過程中其也會發生散射，從而影響氮化鋁陶瓷的熱導率。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性能，因為后者在氮化鋁熱傳導過程中產生的相干散射要少。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影響要小。
總結
綜合來看，為了提高陶瓷材料的導熱系數，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；適當控制原料顆粒尺寸可使其導熱系數顯著增加；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：
低溫燒結高熱導氮化鋁陶瓷及其熱傳導性能研究，楊清華。
高導熱陶瓷材料的研究現狀與前景分析，江期鳴，黃惠寧，孟慶娟，張王林，黃辛辰，張國濤。

轉載自：粉體圈，僅供參考。