Quais são os materiais cerâmicos com alta condutividade térmica?

A condutividade térmica dos materiais cerâmicos desempenha um papel importante em sua aplicação. Em uma determinada faixa, o aumento da condutividade térmica dos materiais cerâmicos por meio de métodos específicos melhorará sua capacidade de condução de calor, convecção de calor e radiação de calor, de modo a expandir ainda mais seu campo de aplicação. Os materiais cerâmicos com alta condutividade térmica são compostos principalmente de óxidos, nitretos, carbonetos e boretos, como cerâmica de diamante policristalino, nitreto de alumínio, óxido de berílio, nitreto de silício e carboneto de silício.

Diamante policristalino (PCD)

O diamante tem uma forte condutividade térmica. O valor teórico da condutividade térmica de seu cristal único é de 1642W/m-K à temperatura ambiente, e o valor medido é de 2000W/m-K. No entanto, o diamante de cristal único grande é difícil de preparar e caro. No processo de sinterização do diamante policristalino, os auxiliares de sinterização são frequentemente adicionados para promover a ligação entre os pós de diamante, de modo a obter cerâmicas PCD de alta condutividade térmica. No entanto, o assistente de sinterização pode catalisar a carbonização do pó de diamante no processo de sinterização em alta temperatura, fazendo com que o diamante policristalino não seja mais isolado. O pequeno cristal único de diamante é frequentemente adicionado à cerâmica de condutividade térmica como um material de reforço para melhorar a condutividade térmica da cerâmica.

As cerâmicas de diamante policristalino são materiais de engenharia e novos materiais funcionais. Atualmente, as cerâmicas de diamante policristalino têm sido amplamente utilizadas nos campos da indústria moderna, defesa nacional e alta e nova tecnologia devido às suas excelentes propriedades mecânicas, térmicas, químicas, acústicas, ópticas e elétricas.

Carbeto de silício

Atualmente, o carbeto de silício (SiC) é um material cerâmico condutor térmico ativo no país e no exterior. A condutividade térmica teórica do carbeto de silício é muito alta, chegando a 270W/m-K. No entanto, como a relação entre a energia de superfície e a energia interfacial dos materiais cerâmicos de SiC é baixa, ou seja, a energia de contorno de grão é alta, é difícil produzir cerâmicas de SiC densas e de alta pureza por meio de métodos convencionais de sinterização. A AIDS de sinterização deve ser adicionada quando os métodos de sinterização convencionais são usados, e a temperatura de sinterização deve estar acima de 2050 ℃. Entretanto, essa condição de sinterização causará o crescimento de grãos de SiC e reduzirá significativamente as propriedades mecânicas das cerâmicas de SiC.

As cerâmicas de carbeto de silício têm sido amplamente utilizadas em rolamentos de alta temperatura, placas à prova de balas, bicos, peças resistentes à corrosão de alta temperatura e alta temperatura e alta frequência de peças de equipamentos eletrônicos e outros campos.

Nitreto de silício

As cerâmicas denitreto de silício (Si3N4) têm recebido cada vez mais atenção dos pesquisadores nacionais e internacionais por suas excelentes propriedades, como alta tenacidade, forte resistência a choques térmicos, bom isolamento, resistência à corrosão e não toxicidade. A força de ligação, a massa atômica média e a vibração anarmônica da cerâmica de nitreto de silício são semelhantes às do SiC. A condutividade térmica teórica dos cristais de nitreto de silício é de 200 a 320 W/m-K. No entanto, como a estrutura do Si3N4 é mais complexa do que a do nitreto de alumínio (AlN) e a dispersão de fônons é maior, a condutividade térmica das cerâmicas de Si3N4 sinterizadas é muito menor do que a do cristal único de Si3N4 no presente estudo, o que também limita sua promoção e aplicação em escala.

Óxido de berílio

O óxido de berílio (BeO) pertence à estrutura de wurtzita hexagonal, com uma pequena distância entre os átomos de Be e de O, pequena massa atômica média e acúmulo atômico denso, o que está em conformidade com as condições do modelo de Slack com a

alta condutividade térmica de um único cristal. Em 1971, Slack e Auaterrman testaram a condutividade térmica da cerâmica de BeO e do grande cristal único de BeO e calcularam que a condutividade térmica do grande cristal único de BeO poderia chegar a 370 W/m-K. Atualmente, a condutividade térmica da cerâmica de BeO preparada pode chegar a 280 W/m-K, que é 10 vezes maior do que a da cerâmica de óxido de alumínio (Al2O3).

O óxido de berílio é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, energia nuclear, engenharia metalúrgica, indústria eletrônica, fabricação de foguetes e assim por diante. O BeO é amplamente utilizado como peças e conjuntos portadores em circuitos de conversão de aviônicos e em sistemas de comunicação de aeronaves e satélites; as cerâmicas de BeO têm uma resistência particularmente alta a choques térmicos e podem ser usadas no tubo de incêndio de aviões a jato; a placa de BeO revestida de metal tem sido usada no sistema de controle do dispositivo de acionamento de aeronaves; a Ford e a General Motors usam revestimentos de óxido de berílio pulverizado com metal nos sistemas de ignição de carros; o BeO tem boa condutividade térmica e é fácil de ser miniaturizado, portanto, tem amplas perspectivas de aplicação no campo do laser. Por exemplo, o laser de BeO tem maior eficiência e maior potência de saída do que o laser de quartzo.

Nitreto de alumínio (AlN)

As cerâmicas de nitreto de alumínio são os materiais de alta condutividade térmica mais amplamente utilizados. A condutividade térmica teórica do cristal único de nitreto de alumínio pode chegar a 3200W/m-K. No entanto, devido às impurezas e defeitos inevitáveis no processo de sinterização, essas impurezas produzem vários defeitos na rede de AlN, que reduzem a liberdade média dos fônons e, portanto, reduzem muito a condutividade térmica. Além do efeito dos defeitos da rede de AlN na condutividade térmica, o tamanho do grão, a morfologia e o conteúdo e a distribuição da segunda fase do limite do grão também têm efeitos importantes na condutividade térmica da cerâmica de AlN. Quanto maior o tamanho do grão, maior a liberdade média dos fônons e maior a condutividade térmica das cerâmicas de AlN sinterizadas.

Como um complexo covalente típico, o nitreto de alumínio tem um alto ponto de fusão, baixo coeficiente de autodifusão atômica e alta energia de limite de grão durante a sinterização. Portanto, é difícil produzir cerâmicas de AlN de alta pureza por meio de métodos convencionais de sinterização. Além disso, a adição de AIDS de queima apropriada também pode reagir com o oxigênio na rede para formar uma segunda fase, purificar a rede de AlN e melhorar a condutividade térmica.

Os auxiliares comuns de sinterização de cerâmicas de AlN são óxido de ítrio (Y2O3), carbonato de cálcio (CaCO3), fluoreto de cálcio (CaF2), fluoreto de itérbio (YF3) etc. Atualmente, as cerâmicas de AlN com alta condutividade térmica têm sido amplamente estudadas com a adição de SIDA de sinterização apropriada no país e no exterior, e as cerâmicas de AlN com alta condutividade térmica de até cerca de 200 W/m-K foram preparadas. No entanto, o custo de produção das cerâmicas de AlN é alto devido ao longo tempo de sinterização, à alta temperatura de sinterização e ao preço do pó de AlN de alta qualidade.