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陶瓷材料導(dǎo)熱機理

當(dāng)某種固體材料的兩端出現(xiàn)溫度梯度時，熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。發(fā)生這種現(xiàn)象是由材料的微觀機制決定的，高、低溫區(qū)域的微觀粒子因具有不同的動能而相互“碰撞”，發(fā)生了能量的交換，傳遞了熱量。

陶瓷材料作為固體材料具有排布規(guī)則的粒子，其熱傳導(dǎo)就需要依靠粒子的振動。這些粒子在其平衡位置上以不同的頻率和振幅不斷作微小的振動，且溫度升高振動愈劇烈。由于固體中粒子之間的吸引力很強，所以其中任意一個發(fā)生振動時，就會帶動其它粒子以相同的運動狀態(tài)運動，形成類似簡諧運動的點陣波，當(dāng)它被量子化時就被稱為聲子。

由于聲子屬于波的一種，它們之間會發(fā)生散射，而且材料的雜質(zhì)、氣孔和晶界都會在聲子傳播過程中阻礙其運動，這就產(chǎn)生了熱量傳遞的阻力。這也合理解釋了材料實際導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論熱導(dǎo)率的現(xiàn)象。

致密度對陶瓷材料的性能有著直接顯著的影響，對于導(dǎo)熱性能來說，陶瓷材料的致密度越高其導(dǎo)熱性能越好，主要體現(xiàn)在材料的低氣孔率，即氣孔越少，聲子傳播的阻力越小，陶瓷材料的導(dǎo)熱性能越好。

粉體原料的純度對氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱性能的影響

陶瓷材料的導(dǎo)熱性能受雜質(zhì)含量的影響很大，主要分為兩種形式，一是粉體原料的純度；二是在燒結(jié)過程中所添加的燒結(jié)助劑，添加助劑對提高陶瓷材料的致密度有很大作用，但同時也相當(dāng)于引入了雜質(zhì)，對其導(dǎo)熱性能產(chǎn)生了不利的影響。

陶瓷原料的純度指的是材料中主要成分占總成分的百分含量。陶瓷粉體中或多或少都會含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括一些氧化物或金屬離子，以及一些雜相。例如，氧化鋁中的雜質(zhì)往往為制備過程中的粉塵、大顆粒異物、設(shè)備加工帶入的金屬雜質(zhì)等。

除此之外，還包括一些雜相，比如結(jié)構(gòu)疏松的β-Al2O3、γ-Al2O3，若其存在會影響材料成型之后的密度，從而影響導(dǎo)熱性能。另外，氧化鋁陶瓷粉體中還會存在一些雜質(zhì)離子，如Na+、K+、Mg+和Ca2+等，它們的存在會加強粒子對聲子的散射、增加聲子傳播自由程，使材料的熱導(dǎo)率降低。

粉體的粒度分布對氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱性能的影響

在陶瓷材料的制備過程中，粉體的制備是非常重要的一個環(huán)節(jié)，其粉體的性能直接決定了陶瓷成品的性能。粉體的性能主要取決于粉體的粒度分布和微觀形貌。

粉體的粒度分布主要影響陶瓷材料的晶粒尺寸和燒結(jié)性能。研究人員研究粉末的粒度分布對氧化鋁陶瓷材料致密度的影響，結(jié)果表明無論使用較寬或窄粒度分布的粉體都可以制備出密度近乎99%的氧化鋁陶瓷，而且其晶粒尺寸可以保持在1μm左右，但是，較寬的粒度分布可以提高粉末壓制的生坯的密度，能夠使材料以較小的收縮率進(jìn)行致密化過程，主要原因是粒度分布寬的粉體中存在的大顆粒會形成較多空隙，這些空隙在成型過程中會被細(xì)顆粒所填充。

研究人員對此進(jìn)行了更深的研究，他們將燒結(jié)分為初、中、后期三個階段，較寬粒度分布的粉體因提高了生坯的密度而在燒結(jié)初期使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在燒結(jié)中期，寬粒度分布的粉體提高了晶粒生長的速率，材料中的封閉隔離孔被嵌入較大的顆粒狀基體中，因此具有更好的燒結(jié)性，而且有助于在燒結(jié)后期保持較高的燒結(jié)速度。但是較寬的粒度分布會導(dǎo)致材料局部顆粒的堆積而產(chǎn)生致密化的差異，甚至在超過一定的粒度分布時，燒結(jié)體的晶粒尺寸會過大，孔結(jié)構(gòu)變粗。為了獲得高度致密化的氧化鋁陶瓷，在粉體粒度分布的選擇中，成型與燒結(jié)方式的選擇起到了關(guān)鍵性的作用。所以，粉體的粒度分布對于陶瓷材料的密度影響很大，繼而決定了陶瓷的導(dǎo)熱性能。

粉體的形貌對氧化鋁陶瓷導(dǎo)熱性能的影響

規(guī)則形貌的氧化鋁粉體在燒結(jié)過程中會對陶瓷材料的性能產(chǎn)生很大影響，研究人員認(rèn)為具有合理的顆粒粒度及顆粒級配的粉料、通過加入粘結(jié)劑對粉末進(jìn)行造粒，使其具有更好的流動性對后續(xù)的成型和燒結(jié)會產(chǎn)生積極的影響。在這其中造粒工藝就是讓粉體在粘結(jié)劑的作用下形成類球狀的形貌，這也間接表明球形氧化鋁在成型和燒結(jié)過程中對提高陶瓷的致密度有著積極的作用。

因此可以發(fā)現(xiàn)，粉體的性能（形貌和粒度）影響著陶瓷燒結(jié)的性能，這也意味著陶瓷的導(dǎo)熱性與其密不可分，片狀粉體進(jìn)行成型和燒結(jié)之后密度較低，氣孔率較高，研究人員初步推測出其熱導(dǎo)率不高；而球形氧化鋁粉體可以制備出高密度的透明陶瓷，因此可以判斷使用球形粉體制備導(dǎo)熱陶瓷是一個合適的選擇。但是目前形貌對導(dǎo)熱性影響的相關(guān)研究并不多見，尚缺乏實驗依據(jù)。

資料來源：

夏尊，改性氧化鋁粉體對其燒結(jié)性及導(dǎo)熱性的影響，大連交通大學(xué)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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