¿Cuáles son los materiales cerámicos de alta conductividad térmica?
La conductividad térmica de los materiales cerámicos desempeña un papel importante en su aplicación. En un determinado rango, el aumento de la conductividad térmica de los materiales cerámicos mediante métodos específicos mejorará su capacidad de conducción de calor, convección de calor y radiación de calor, con el fin de ampliar aún más su campo de aplicación. Los materiales cerámicos con alta conductividad térmica se componen principalmente de óxidos, nitruros, carburos y boruros, como las cerámicas de diamante policristalino, nitruro de aluminio, óxido de berilio, nitruro de silicio y carburo de silicio.
Diamante policristalino (PCD)
El diamante tiene una gran conductividad térmica. El valor teórico de la conductividad térmica de su monocristal es de 1642W/m-K a temperatura ambiente, y el valor medido es de 2000W/m-K. Sin embargo, el diamante monocristalino de gran tamaño es difícil de preparar y caro. En el proceso de sinterización del diamante policristalino, a menudo se añaden auxiliares de sinterización para promover la unión entre los polvos de diamante y así obtener cerámicas PCD de alta conductividad térmica. Sin embargo, el asistente de sinterización puede catalizar la carbonización del polvo de diamante en el proceso de sinterización a alta temperatura, por lo que el diamante policristalino deja de estar aislado. El pequeño monocristal de diamante se añade a menudo a la cerámica de conductividad térmica como material de refuerzo para mejorar la conductividad térmica de la cerámica.
Las cerámicas de diamante policristalino son tanto materiales de ingeniería como nuevos materiales funcionales. En la actualidad, las cerámicas de diamante policristalino se han utilizado ampliamente en los campos de la industria moderna, la defensa nacional y la alta y nueva tecnología debido a sus excelentes propiedades mecánicas, térmicas, químicas, acústicas, ópticas y eléctricas.
Carburo de silicio
En la actualidad, el carburo de silicio (SiC) es un material cerámico termoconductor activo en el país y en el extranjero. La conductividad térmica teórica del carburo de silicio es muy elevada, alcanzando los 270W/m-K. Sin embargo, dado que la relación entre la energía superficial y la energía interfacial de los materiales cerámicos de SiC es baja, es decir, la energía del límite de grano es alta, es difícil producir cerámicas de SiC de alta pureza y densidad mediante métodos de sinterización convencionales. Sinterización SIDA debe añadirse cuando se utilizan métodos convencionales de sinterización, y la temperatura de sinterización debe ser superior a 2050 ℃ se alcanza. Sin embargo, esta condición de sinterización provocará el crecimiento de granos de SiC y reducirá significativamente las propiedades mecánicas de la cerámica de SiC.
Las cerámicas de carburo de silicio se han utilizado ampliamente en cojinetes de alta temperatura, placas antibalas, toberas, piezas resistentes a la corrosión a alta temperatura y piezas de equipos electrónicos de alta temperatura y alta frecuencia, entre otros campos.
Nitruro de silicio
Las cerámicas de nitruro de silicio(Si3N4 ) han sido objeto de una atención cada vez mayor por parte de los investigadores nacionales y extranjeros por sus excelentes propiedades, como su elevada tenacidad, fuerte resistencia al choque térmico, buen aislamiento, resistencia a la corrosión y no toxicidad. La fuerza de enlace, la masa atómica media y la vibración anarmónica de las cerámicas de nitruro de silicio son similares a las del SiC. La conductividad térmica teórica de los cristales de nitruro de silicio es de 200 ~ 320 W/m-K. Sin embargo, como la estructura del Si3N4 es más compleja que la del nitruro de aluminio (AlN), y la dispersión de los fonones es mayor, la conductividad térmica de la cerámica de Si3N4 sinterizada es muy inferior a la del cristal único de Si3N4 en el presente estudio, lo que también limita su promoción a escala y su aplicación.
Óxido de berilio
Elóxido de berilio (BeO) pertenece a la estructura hexagonal wurtzita, con una pequeña distancia entre los átomos de Be y los de O, una masa atómica media pequeña y una acumulación atómica densa, que se ajusta a las condiciones del modelo de Slack con la
alta conductividad térmica del monocristal. En 1971, Slack y Auaterrman probaron la conductividad térmica de la cerámica BeO y del gran monocristal BeO y calcularon que la conductividad térmica del gran monocristal BeO podía alcanzar hasta 370 W/m-K. En la actualidad, la conductividad térmica de la cerámica BeO preparada puede alcanzar los 280 W/m-K, 10 veces superior a la de la cerámica de óxido de aluminio (Al2O3).
El óxido de berilio se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la energía nuclear, la ingeniería metalúrgica, la industria electrónica, la fabricación de cohetes, etc. El BeO se utiliza ampliamente como piezas portadoras y ensamblajes en circuitos de conversión de aviónica y en sistemas de comunicación de aviones y satélites; la cerámica BeO tiene una resistencia al choque térmico especialmente alta y puede utilizarse en el tubo de combustión de los aviones a reacción; la placa BeO recubierta de metal se ha utilizado en el sistema de control del dispositivo de accionamiento de los aviones; Ford y General Motors utilizan revestimientos de óxido de berilio recubiertos de metal en los sistemas de encendido de los coches; el BeO tiene una buena conductividad térmica y es fácil de miniaturizar, por lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo del láser. Por ejemplo, el láser de BeO tiene mayor eficiencia y potencia de salida que el láser de cuarzo.
Nitruro de aluminio (AlN)
Las cerámicas de nitruro de aluminio son los materiales de alta conductividad térmica más utilizados. La conductividad térmica teórica del monocristal de nitruro de aluminio puede alcanzar los 3200W/m-K. Sin embargo, debido a las impurezas y defectos ineludibles en el proceso de sinterización, estas impurezas producen diversos defectos en la red de AlN, que reducen la libertad media de los fonones y, por tanto, reducen en gran medida su conductividad térmica. Además del efecto de los defectos de la red de AlN en la conductividad térmica, el tamaño de grano, la morfología y el contenido y distribución de la segunda fase del límite de grano también tienen efectos importantes en la conductividad térmica de las cerámicas de AlN. Cuanto mayor es el tamaño de grano, mayor es la libertad media de los fonones y mayor es la conductividad térmica de las cerámicas de AlN sinterizadas.
Como complejo covalente típico, el nitruro de aluminio tiene un alto punto de fusión, un bajo coeficiente de autodifusión atómica y una alta energía de frontera de grano durante la sinterización. Por lo tanto, es difícil producir cerámicas de AlN de alta pureza mediante métodos de sinterización convencionales. Además, la adición del sida de quemado adecuado también puede reaccionar con el oxígeno en la red para formar una segunda fase, purificar la red de AlN y mejorar la conductividad térmica.
Los auxiliares de sinterización comunes de las cerámicas AlN son el óxido de itrio (Y2O3), el carbonato de calcio (CaCO3), el fluoruro de calcio (CaF2), el fluoruro de iterbio (YF3), etc. En la actualidad, las cerámicas de AlN con alta conductividad térmica se han estudiado ampliamente mediante la adición de SIDA de sinterización adecuados en el país y en el extranjero, y las cerámicas de AlN con alta conductividad térmica de hasta alrededor de 200 W / m-K se han preparado. Sin embargo, el coste de producción de las cerámicas de AlN es elevado debido al largo tiempo de sinterización, la alta temperatura de sinterización y el precio del polvo de AlN de alta calidad.
