中國粉體網訊 大部分陶瓷材料的熱傳遞性能與金屬材料相比要差很多，但陶瓷材料的高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕、材料來源廣泛以及在聲、光、電、熱、磁等方面的優(yōu)異特性和生物、化學等的獨特性質，使其應用范圍十分廣泛。在一些導熱、散熱領域，陶瓷材料具有的高導熱、低導電性能使它能夠取代金屬而發(fā)揮作用，例如應用于電子封裝等。
“高導熱”的概念
熱導率又稱導熱系數，是指材料直接將熱能由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的能力。導熱系數是表征物質導熱能力的宏觀物理量，它指的是單位溫度降低下，單位時間內通過單位面積所傳導的熱量。Slack Ga研究了金剛石、C-BN、BP、SiC和AlN的熱導率，提出了用于預測無機非金屬材料熱導率的公式如下：
在此基礎上，Slack Ga歸納了高熱導率材料應具備的４個條件：原子質量小、鍵合強度高、晶體結構簡單以及晶格非簡諧振動小。
五大熱門高導熱陶瓷一覽
目前熱門的導熱陶瓷材料主要有氧化鈹、氮化鋁、碳化硅、氮化硅、氧化鋁和聚晶金剛石（PCD）陶瓷等。其中Al2O3陶瓷價格低廉、強度高、化學性能穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、絕緣性強，是目前行業(yè)研究最透徹、應用最廣泛的陶瓷材料之一。但相比于其它陶瓷材料，Al2O3陶瓷的熱導率相對較低，且國內外研究人員也使用了各種燒結方法和不同的助燒劑，但都無法進一步大幅提高Al2O3陶瓷的熱導率，因此，一般不將Al2O3歸為高導熱陶瓷。
部分材料的導熱系數
AlN陶瓷
AlN的熱導率理論上可達320W/(m·K)，但是由AlN缺陷，導致產生鋁空位而散射聲子，使得實際產品的熱導率不到200W/(m·K)。AlN主要靠聲子傳熱，在熱傳輸過程中，晶體中的缺陷、晶界、氣孔、電子以及聲子本身都會產生聲子散射，從而影響AlN基板的熱導率。
（圖片來源：廈門鉅瓷）
因此在燒結時，需添加一些助燒劑來促進燒結。添加合適的助燒劑可以與晶格中的氧發(fā)生反應，生成第二相，凈化AlN晶格，提高熱導率。常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、Sm2O、CaCO3、CaF2、YF3等。添加助燒劑燒結高導熱AlN陶瓷的方法已廣泛應用于生產中，AlN陶瓷也正大規(guī)模應用于電子封裝材料和大規(guī)模散熱材料。但是由于AlN陶瓷燒結時間長、燒結溫度高、高品質AlN粉價格貴等原因導致AlN陶瓷制作成本高，此外AlN易吸潮、易氧化等特點都制約了其大規(guī)模推廣與應用。
Si3N4陶瓷
氮化硅（Si3N4）的原子鍵結合強度、平均原子質量和晶體非諧性振動與SiC相似，具備高導熱材料的理論基礎。Haggerty等人計算出室溫時氮化硅晶體的理論熱導率為200—320W/mK，但是由于氮化硅的結構比AlN的結構更為復雜，對聲子的散射較大，因而目前研究中，燒結出的氮化硅陶瓷的熱導率遠低于氮化硅單晶。
（圖片來源：澳秦新材料）
WatariK、HiraoK、Hirosaki、Okamato等采用多種措施制備出了熱導率在100~162W/mK的高導熱氮化硅陶瓷。氮化硅無論在高溫還是在常溫下都具有高韌性、抗熱沖擊能力強、絕緣性好、耐腐蝕和無毒等優(yōu)異的性能，這使其越來越受到國內外研究學者的重視。
PCD陶瓷
在目前已知所有材料中，金剛石的傳熱能力最強，其單晶體在常溫下熱導率的理論值為1642W/mk，實測值為2000W/mK。但金剛石大單晶難以制備且價格極其昂貴，從技術角度與經濟角度考慮，作為電子封裝材料目前都是不可行的。聚晶金剛石燒結過程中往往需要加入助燒劑促進金剛石粉體之間的粘結，也可以得到高導熱PCD陶瓷。但在高溫燒結過程中，助燒劑會催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣，導致添加助燒劑的聚晶金剛石陶瓷（PCD）不宜應用在電子封裝領域。金剛石小單晶常被用作提高陶瓷熱導率的增強材料添加到導熱陶瓷中，起到提高陶瓷導熱率的作用。研究發(fā)現(xiàn)：燒結AlN陶瓷時，適量的添加納米級的金剛石可以大幅提高AlN陶瓷的熱導率。
BeO陶瓷
1971年Slack和Austerman測試出BeO陶瓷和BeO大單晶的熱導率，并且計算出BeO大單晶的熱導率最高達到370W/mK。目前制備出的BeO陶瓷的熱導率可達到280W/mK，是Al2O3陶瓷的10倍，但BeO具有劇毒，人體吸入會導致急性肺炎，長期吸入對人的健康產生極其嚴重的危害。
（圖片來源：北龍電子）
SiC陶瓷
目前碳化硅（SiC）是國內外研究較為活躍的導熱陶瓷材料。SiC的理論熱導率非常高，達到270W/mK。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，因而很難通過常規(guī)方法燒結出高純致密的SiC陶瓷。采用常規(guī)的燒結方法時，必須添加助燒劑且燒結溫度必須達到2050℃以上，這種燒結條件又會引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學性能。
（晶舟，來源：濰坊華美）
隨著科技的不斷發(fā)展，碳化硅陶瓷在半導體領域的應用日益普遍，如研磨盤、夾具、工作臺等。高熱導率是其應用于半導體制造設備元器件的關鍵指標，因此加強高導熱碳化硅陶瓷的研究至關重要。減少晶格氧含量、提高致密性、合理調控第二相在晶格中的分布方式是提高碳化硅陶瓷熱導率的主要方法。
如何提高陶瓷材料的熱導率
為了提高陶瓷材料的導熱系數，則需要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，還可以適量摻雜一些具有高導熱系數的非金屬（Fe2O3）、金屬（如Cu等）以及在陶瓷表面負載特定有機物形成高導熱復合材料。
當原料顆粒尺寸下降至納米級別時，陶瓷材料的導熱系數降低，適當控制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，也可提高陶瓷材料的導熱系數。氣孔對陶瓷材料導熱系數的影響較復雜，內部熱傳遞方式根據不同情況有多種，互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導熱系數高。封閉氣孔率越高，則導熱系數越低。
內部缺陷和顯微結構對陶瓷導熱系數的影響主要是由材料的聲子導熱機理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心，這些缺陷都會減小聲子平均自由程和導熱系數。其他組分的添加有可能在陶瓷的燒成過程中改變其內部結構，影響陶瓷性能。在某種情況下，選擇采取措施改變陶瓷的內部結構以滿足特定的功能需要。
熱處理過程對陶瓷的影響是十分顯著的，其溫度的高低、時間的長短、升降溫速度、最高燒成溫度以及保溫時間都會影響陶瓷材料的導熱系數。
參考來源：
[1]張迎新.高壓快速制備高導熱陶瓷
[2]江期鳴等.高導熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與前景分析
[3]中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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