В области современных керамических материалов нитрид кремния (Si3N4) привлек большое внимание благодаря своей превосходной механической прочности, химической стабильности и высокотемпературным свойствам. Однако теплопроводность керамики из нитрида кремния, как один из ключевых факторов, влияющих на ее широкое применение, является важным предметом исследований в области материаловедения. Целью данной статьи является исследование механизма теплопередачи керамики из нитрида кремния, особенно явлений вибрации решетки и рассеяния во время фононной проводимости, а также сосредоточение внимания на уникальной роли углеродных добавок в процессе спекания нитрида кремния и механизме улучшения теплопроводности. Благодаря всестороннему анализу экспериментальных данных и теоретических моделей цель данной статьи — предоставить новые идеи и стратегии для приготовления подложки из нитрида кремния с высокой теплопроводностью.
Переосмысление механизма теплопередачи
Как типичный керамический материал с ковалентной связью, механизм теплопередачи нитрида кремния в основном зависит от колебаний решетки и фононной проводимости. Нелинейное распространение и столкновение между фононами в решетке не только ограничиваются самой структурой решетки, но также зависят от характеристик микроструктуры, таких как внутренние дефекты, примеси и границы зерен. В частности, решеточный кислород является основным источником рассеяния, и его содержание напрямую связано с длиной свободного пробега фононов, которая влияет на теплопроводность нитрида кремния. Поэтому снижение содержания решеточного кислорода становится одним из ключевых способов улучшения теплопроводности нитрида кремния.
Дискуссия о введении и механизме введения углеродных добавок
В последние годы широкое внимание привлекли исследования углерода в качестве спекающей добавки для безоксидной керамики. В систему нитрида кремния углерод вводится не только для удаления оксидных примесей с поверхности оксидного порошка, но, что более важно, он может играть значительную восстановительную роль в процессах азотирования и последующего спекания. В частности, углерод может снизить парциальное давление SiO и способствовать восстановлению кислородсодержащих примесей, таких как SiO2, тем самым снижая содержание решеточного кислорода. Этот процесс не только очищал среду решетки, но также способствовал росту зерен нитрида кремния и оптимизации структуры.
Влияние углеродных добавок на теплопроводность керамики из нитрида кремния
Результаты экспериментов показывают, что теплопроводность керамики из нитрида кремния можно значительно улучшить, добавив необходимое количество углерода. В частности, восстановление углерода увеличивает вторичное атомное соотношение N/O между зернами нитрида кремния, образуя бимодальную микроструктуру, способствующую теплопроводности. Эта структурная особенность характеризуется сосуществованием крупных зерен и удлиненных зерен, которые обеспечивают эффективные каналы теплопроводности, в то время как удлиненные зерна помогают уменьшить рассеяние фононов и совместно улучшить теплопроводность керамики из нитрида кремния.
Кроме того, использование углеродных добавок также снижает жесткие требования к содержанию кислорода в сырье и подбору спекающих добавок. Традиционно для получения керамики из нитрида кремния с высокой теплопроводностью часто приходится выбирать порошок сырья с низким содержанием кислорода и высокоэффективными спекающими добавками, что, несомненно, увеличивает стоимость изготовления. Введение углеродных добавок в определенной степени смягчает эту проблему, так что нитридкремниевая керамика с превосходной теплопроводностью может быть получена в более широком диапазоне сырья и добавок.
Перспектива промышленного применения
Ожидается, что благодаря постоянному развитию технологий и постоянной оптимизации затрат метод спекания с углеродными добавками для получения керамики из нитрида кремния с высокой теплопроводностью будет широко использоваться в промышленном производстве. Этот метод не только улучшает теплопроводность керамики из нитрида кремния, но также снижает стоимость подготовки, обеспечивая более экономичное и эффективное решение для высокопроизводительной электронной упаковки, аэрокосмической промышленности и преобразования энергии. В будущем мы надеемся на дальнейшее продвижение инновационного применения и разработки материалов подложек из нитрида кремния в других областях посредством более глубоких исследований и оптимизации процессов.
Таким образом, спекание с добавлением углерода как инновационная технология подготовки керамики из нитрида кремния оптимизирует микроструктуру материала благодаря уникальному эффекту восстановления и значительно улучшает теплопроводность керамики из нитрида кремния. Это открытие не только открывает новый путь для получения высокоэффективной керамики из нитрида кремния, но также обеспечивает более экономичное и эффективное решение для разработки электронной упаковки, аэрокосмической промышленности и преобразования энергии. Благодаря постоянному углублению исследований и постоянному развитию технологий у нас есть основания полагать, что керамика из нитрида кремния покажет свое уникальное очарование и широкие перспективы применения во многих областях. В то же время это также побудит нас продолжать исследовать новые технологии подготовки материалов и способствовать прогрессу и развитию материаловедения.
