陶瓷材料傳熱性能對(duì)其拓展應(yīng)用領(lǐng)域具有極其重要的影響，在一定范圍內(nèi)，通過(guò)特定方法增加陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，將會(huì)提高其熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射的能力，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。高導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷材料主要以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主，如聚晶金剛石陶瓷、AlN、BeO、Si3N4、SiC等陶瓷材料。

    1、聚晶金剛石陶瓷（PCD陶瓷）

    金剛石的傳熱能力很強(qiáng)，其單晶體在常溫下熱導(dǎo)率理論值為1642W/m·K，實(shí)測(cè)值為2000W/m·K。但金剛石大單晶難以制備，且價(jià)格昂貴。聚晶金剛石燒結(jié)過(guò)程中往往需要加入助燒劑以促進(jìn)金剛石粉體之間的粘結(jié)，從而得到高導(dǎo)熱PCD陶瓷。但在高溫?zé)Y(jié)過(guò)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。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導(dǎo)率的增強(qiáng)材料添加到導(dǎo)熱陶瓷中，以起到提高陶瓷導(dǎo)熱率的作用。

    聚晶金剛石陶瓷既是工程材料，又是新型的功能性材料。目前，聚晶金剛石陶瓷以其優(yōu)良的力、熱、化學(xué)、聲、光、電等性能，在現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高新技術(shù)等領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。

圖1 聚晶金剛石陶瓷

    2、SiC陶瓷

    目前碳化硅（SiC）是國(guó)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，已達(dá)到270W/m·K。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(guò)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，但這種燒結(jié)條件又會(huì)引起SiC晶粒長(zhǎng)大，大幅降低SiC陶瓷的力學(xué)性能。

    SiC陶瓷在石油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光、礦業(yè)及原子能等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，碳化硅陶瓷已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設(shè)備零部件等領(lǐng)域。

圖2 SiC陶瓷

    3、Si3N4陶瓷

    Si3N4陶瓷具有高韌性、抗熱沖擊能力強(qiáng)、絕緣性好、耐腐蝕和無(wú)毒等優(yōu)異的性能，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。氮化硅陶瓷的原子鍵結(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)。Si3N4晶體的理論熱導(dǎo)率為200～320W/m·K，但由于氮化硅的結(jié)構(gòu)比AlN的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，因而在目前研究中，燒結(jié)出的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于氮化硅單晶，但同時(shí)這些特點(diǎn)也限制了其規(guī)?；茝V與應(yīng)用。

圖3 Si3N4陶瓷

    Si3N4陶瓷作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有高強(qiáng)度、耐高溫、熱傳導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在陶瓷材料中其綜合力學(xué)性能最好，耐熱震性能、抗氧化性能、耐磨損性能、耐蝕性能好，是熱機(jī)部件用陶瓷的第一候選材料。在機(jī)械工業(yè)，氮化硅陶瓷用作軸承滾珠、滾柱、滾球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心軸密封材料等。

    4、BeO陶瓷

    BeO屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，Be原子和O原子之間距離小，平均原子質(zhì)量小，原子堆積密集，符合Slack等單晶的熱導(dǎo)率的模型高導(dǎo)熱陶瓷的條件。1971年Slack和Auaterrman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)率最高可達(dá)到370W/m·K。目前制備出的BeO陶瓷的熱導(dǎo)率可達(dá)到280W/m·K，是Al2O3陶瓷的10倍。

    BeO廣泛應(yīng)用于航天航空，核動(dòng)力，冶金工程，電子工業(yè)，火箭制造等。在航空電子技術(shù)轉(zhuǎn)換電路中以及飛機(jī)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中大量用BeO來(lái)作托架部件和裝配件；在飛船電子學(xué)方面也有應(yīng)用前景，利用BeO陶瓷具有特別高的耐熱沖擊性，可在噴氣式飛機(jī)的導(dǎo)火管中使用。經(jīng)金屬涂層的BeO板材已用于飛機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)；福特和通用汽車公司在汽車點(diǎn)火裝置中使用了噴涂金屬的氧化鈹襯片[13]。BeO陶瓷的導(dǎo)熱性能良好，而且易于小型化，在激光領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，如BeO激光器比石英激光器的效率高，輸出功率大。

    5、AlN陶瓷

    AlN陶瓷是目前應(yīng)用較高的高導(dǎo)熱材料。AlN單晶的理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到3200W/m·K，但是由于燒結(jié)過(guò)程中不可避免的雜質(zhì)摻入和缺陷，這些雜質(zhì)在AlN晶格中產(chǎn)生各種缺陷使聲子的平均自由度減小，從而大幅降低其熱導(dǎo)率。除了AlN晶格缺陷對(duì)其熱導(dǎo)率的影響外，晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布對(duì)AlN陶瓷熱導(dǎo)率也有著重要影響。晶粒尺寸越大，聲子平均自由度越大，燒結(jié)出的AlN陶瓷熱導(dǎo)率就越高，但根據(jù)燒結(jié)理論，晶粒越大，聚晶體陶瓷越難燒結(jié)。

圖4 AlN陶瓷

    由于AlN是一種典型的共價(jià)合物，具有很高的熔點(diǎn)，在燒結(jié)的過(guò)程中原子的自擴(kuò)散系數(shù)小、晶界能較高，因而通常很難采用常規(guī)的燒結(jié)方法燒結(jié)出高純的AlN陶瓷，必須添加助燒劑來(lái)促進(jìn)燒結(jié)。此外所添加的適當(dāng)?shù)闹鸁齽┻€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(jiàn)的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)添加適當(dāng)?shù)闹鸁齽Y(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷進(jìn)行了廣泛研究，并且制備出熱導(dǎo)率達(dá)到200W/m·K左右的高導(dǎo)熱AlN陶瓷。添加助燒劑燒結(jié)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，但是由于AlN陶瓷燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、燒結(jié)溫度高、高品質(zhì)AlN粉體價(jià)格貴等原因，導(dǎo)致AlN陶瓷制作成本高。

    參考文獻(xiàn)：

    1、孫坤，雍岐龍，裴和中，高導(dǎo)熱電絕緣陶瓷的研究方向及應(yīng)用前景，昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）。

    2、曾令可，漆小玲，王慧等，氧化物熱電材料熱導(dǎo)率的研究，硅酸鹽通報(bào)。

    3、江期鳴黃惠寧孟慶娟，高導(dǎo)熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析，陶瓷。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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