影響陶瓷材料熱傳遞性能的因素大起底

如今隨著技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)熱陶瓷作為一種同時(shí)具備高導(dǎo)熱系數(shù)、高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕等特性的材料，已在化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光等領(lǐng)域得到重用。尤其是在手機(jī)基板等應(yīng)用市場(chǎng)，人們對(duì)它的需求越發(fā)見長。

因此為了更好地?cái)U(kuò)展導(dǎo)熱陶瓷的應(yīng)用范圍，提高其熱傳遞性能具有重要意義。但在此之前，首先要了解是什么影響了陶瓷的導(dǎo)熱性能，下文中小編便就各種影響因素進(jìn)行總結(jié)。

影響因素及改進(jìn)分析

在陶瓷中，有三種熱量傳遞方式，即對(duì)流、輻射和熱傳導(dǎo)。陶瓷導(dǎo)熱性能的高低與它的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度、濕度、熱處理溫度、壓力等因素有關(guān)。

1、組成

傳統(tǒng)陶瓷的導(dǎo)熱性能不佳，而導(dǎo)熱率低的原因與原料離不開關(guān)系，傳統(tǒng)陶瓷的原料主要是粘土、石英、長石３大類導(dǎo)熱率不佳的天然原料。因此為了提高陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)，須往里摻雜組分，這種方法按摻雜組分性質(zhì)的不同可以分為兩種：①向陶瓷中添加非金屬材料；②添加金屬材料。

例如：

①添加非金屬材料：紅瓷磚的導(dǎo)熱性比普通瓷磚更好，是由于其含有的Fe203以及莫來石結(jié)晶相。通過添加適量A1203也可以提高瓷磚的導(dǎo)熱系數(shù)，但添加過多的話會(huì)使陶瓷的燒結(jié)溫度提高。為了降低不利影響，Yu等人利用石墨烯和氧化鋁的協(xié)同作用改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而獲得了導(dǎo)熱性能較好的陶瓷材料。

②添加金屬材料：金屬的熱傳遞性能比絕大部分陶瓷都要優(yōu)異，組合兩者可有效改善陶瓷的導(dǎo)熱性能，何永祥等人便成功制備了陶瓷與金屬Cu兩種材料相互擴(kuò)散形成穩(wěn)定的金屬滲透梯度層，有效降低了陶瓷材料的熱阻。

2、氣孔

素坯在燒成過程中，坯體中因含有有機(jī)物或者無機(jī)鹽、粉料中顆粒狀的雜質(zhì)（如鐵質(zhì)、未磨細(xì)的殘?jiān)w粒等）以及過多玻璃相的出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生較大的氣孔或氣泡。氣孔的出現(xiàn)必然會(huì)改變熱量在陶瓷材料內(nèi)部的轉(zhuǎn)移方式，對(duì)熱傳遞產(chǎn)生重大影響。

高氣孔率陶瓷

在致密度較高且處于溫度不太高的環(huán)境的陶瓷中，熱傳導(dǎo)為主要的熱傳遞方式。而在多孔陶瓷中，對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)等熱量傳遞方式都存在。因此，在對(duì)陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮氣孔的孔徑大小、分布情況和連通方式。

例如：早在冶金工業(yè)初期，為了減少熱量損失，人們便會(huì)對(duì)熔爐陶瓷壁進(jìn)行多孔化（封閉氣孔）處理，在很大程度上降低陶瓷壁的導(dǎo)熱系數(shù)使其內(nèi)部易于維持較高的溫度。

Yuan等人通過對(duì)多孔陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)原料顆粒尺寸約為1μm的多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)是相同粒徑尺寸密實(shí)陶瓷的75%——也就是說，氣孔的體積分?jǐn)?shù)越大，陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)越低。

3、內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)

內(nèi)部缺陷和顯微結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的影響主要是由材料的聲子導(dǎo)熱機(jī)理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心，因此它們都會(huì)減小聲子平均自由程和導(dǎo)熱系數(shù)。內(nèi)部缺陷也是聲子散射的中心，這種中心越多，聲子散射所造成的能量損失也越多。因此，在尋求有效方法增加材料導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，須采取諸如添加燒結(jié)助劑、增加燒結(jié)時(shí)間等措施以減少材料內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)。

例如：SiC和AlN都是較為常用的高導(dǎo)熱陶瓷，理論上兩者混合應(yīng)具有更好的導(dǎo)熱性能。但事實(shí)上Zhang等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，雖然添加一定量的AlN粉末后SiC陶瓷會(huì)變得更加致密，但是雜質(zhì)和主原子之間的顆粒尺寸和原子間力以及其他作用力之間存在差異，由此引起的內(nèi)部缺陷會(huì)導(dǎo)致SiC陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的降低。

4、熱處理過程

在陶瓷制造工藝過程中，熱處理是最重要的工序之一。該過程將影響坯體的一系列物理化學(xué)變化，并影響成品的顯微結(jié)構(gòu)和礦物組成。而在熱處理過程中，陶瓷的不同組成成分也會(huì)發(fā)生不同的變化。

以髙嶺土為例，對(duì)這種單一成分及其作為主要成分的生坯在不同的溫度(700~1400C)下的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度低于1050℃時(shí)，生坯及髙嶺土的有效導(dǎo)熱系數(shù)較低，小于0.3W/(m·K)。但當(dāng)采用更高溫度熱處理時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)迅速增加，達(dá)到了３W/(m·K)。由此可見，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，相同處理過程下不同溫度對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)具有極大的影響力。部分陶瓷材料的熱導(dǎo)率隨溫度變化可看下圖。

總結(jié)

綜上，若想提高陶瓷的熱傳遞性能，須綜合其多個(gè)變量共同考慮，如提高陶瓷材料純度、提高陶瓷材料的密度、減少結(jié)構(gòu)缺陷、減少氣孔、減少晶界、減少玻璃相，適當(dāng)控制顆粒尺寸、合理的燒成制度等。除此之外，通過添加石墨烯、類石墨烯等非金屬材料幫助陶瓷材料提高導(dǎo)熱性也不妨是一種值得深入研究的手段。

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