Op het gebied van geavanceerde keramische materialen heeft siliciumnitride (Si3N4) veel aandacht getrokken vanwege zijn uitstekende mechanische sterkte, chemische stabiliteit en hoge temperatuureigenschappen. De thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek is echter, als een van de sleutelfactoren die de brede toepassing ervan beïnvloeden, een belangrijk onderwerp in materiaalwetenschappelijk onderzoek. Dit artikel heeft tot doel het warmteoverdrachtsmechanisme van siliciumnitride-keramiek te onderzoeken, vooral het roostervibratie- en verstrooiingsfenomeen tijdens fonongeleiding, en zich te concentreren op de unieke rol van koolstofadditieven in het sinterproces van siliciumnitride en het mechanisme voor het verbeteren van de thermische geleidbaarheid. Door de uitgebreide analyse van experimentele gegevens en theoretische modellen wil dit artikel nieuwe ideeën en strategieën bieden voor de bereiding van siliciumnitridesubstraat met hoge thermische geleidbaarheid.
Herbegrijpen van het warmteoverdrachtsmechanisme
Als typisch covalent gebonden keramisch materiaal hangt het warmteoverdrachtsmechanisme van siliciumnitride voornamelijk af van roostervibratie en fonongeleiding. De niet-lineaire voortplanting en botsing tussen fononen in het rooster worden niet alleen beperkt door de roosterstructuur zelf, maar ook beïnvloed door de microstructuurkenmerken zoals interne defecten, onzuiverheden en korrelgrenzen. In het bijzonder is roosterzuurstof de belangrijkste verstrooiingsbron, en de inhoud ervan houdt rechtstreeks verband met het gemiddelde vrije pad van fononen, dat de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride beïnvloedt. Daarom wordt het verminderen van het zuurstofgehalte in het rooster een van de belangrijkste manieren om de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride te verbeteren.
Discussie over de introductie en het mechanisme van koolstofadditieven
De afgelopen jaren heeft het onderzoek naar koolstof als sinteradditief voor niet-oxidekeramiek uitgebreide aandacht getrokken. In het siliciumnitridesysteem wordt koolstof niet alleen geïntroduceerd om de oxideverontreinigingen op het oppervlak van het oxidepoeder te verwijderen, maar wat nog belangrijker is, het kan een significante reductierol spelen in het nitrerings- en post-sinterproces. Meer specifiek kan koolstof de partiële druk van SiO verlagen en de vermindering van zuurstofhoudende onzuiverheden zoals SiO2 bevorderen, waardoor het gehalte aan roosterzuurstof wordt verminderd. Dit proces zuiverde niet alleen de roosteromgeving, maar bevorderde ook de groei van siliciumnitridekorrels en de optimalisatie van de structuur.
Effect van koolstofadditieven op de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek
De experimentele resultaten laten zien dat de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek aanzienlijk kan worden verbeterd door de juiste hoeveelheid koolstof toe te voegen. In het bijzonder verhoogt de reductie van koolstof de secundaire N/O-atoomverhouding tussen siliciumnitridekorrels, waardoor een bimodale microstructuur wordt gevormd die bevorderlijk is voor warmtegeleiding. Dit structurele kenmerk wordt gekenmerkt door het naast elkaar bestaan van grote korrels en langwerpige korrels, die zorgen voor efficiënte warmtegeleidingskanalen, terwijl langwerpige korrels de fononverstrooiing helpen verminderen en gezamenlijk de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek verbeteren.
Bovendien vermindert het gebruik van koolstofadditieven ook de strenge eisen aan het zuurstofgehalte van grondstoffen en de selectie van sinteradditieven. Om siliciumnitride-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid te verkrijgen, is het traditioneel vaak nodig om grondstofpoeder te kiezen met een laag zuurstofgehalte en hoogwaardige sinteradditieven, wat ongetwijfeld de bereidingskosten verhoogt. De introductie van koolstofadditieven verlicht dit probleem tot op zekere hoogte, zodat siliciumnitride-keramiek met uitstekende thermische geleidbaarheid kan worden bereid in een breder scala aan grondstoffen en additieven.
Industriële toepassingsvooruitzichten
Met de voortdurende vooruitgang van de technologie en de voortdurende optimalisatie van de kosten wordt verwacht dat de methode van met koolstofadditieven ondersteund sinteren ter bereiding van siliciumnitride-keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid op grote schaal zal worden gebruikt in de industriële productie. Deze methode verbetert niet alleen de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek, maar verlaagt ook de voorbereidingskosten, waardoor een economischere en efficiëntere oplossing wordt geboden voor hoogwaardige elektronische verpakkingen, ruimtevaart en energieconversievelden. In de toekomst kijken we ernaar uit om de innovatieve toepassing en ontwikkeling van siliciumnitride-substraatmaterialen op meer gebieden verder te bevorderen door middel van diepgaander onderzoek en procesoptimalisatie.
Samenvattend optimaliseert koolstofadditief sinteren, als een innovatieve bereidingstechnologie voor siliciumnitride-keramiek, de microstructuur van het materiaal door zijn unieke reductie-effect en verbetert het de thermische geleidbaarheid van siliciumnitride-keramiek aanzienlijk. Deze ontdekking opent niet alleen een nieuwe manier voor de bereiding van hoogwaardige siliciumnitride-keramiek, maar biedt ook een economischere en efficiëntere oplossing voor de ontwikkeling van elektronische verpakkingen, ruimtevaart en energieconversie. Met de voortdurende verdieping van het onderzoek en de voortdurende vooruitgang van de technologie hebben we reden om te geloven dat siliciumnitride-keramiek zijn unieke charme en brede toepassingsmogelijkheden op meer gebieden zal tonen. Tegelijkertijd zal dit ons ook aanmoedigen om door te gaan met het verkennen van nieuwe materiaalvoorbereidingstechnologie en de vooruitgang en ontwikkeling van de materiaalkunde te bevorderen.
