Welches sind die keramischen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit von keramischen Werkstoffen spielt eine wichtige Rolle bei ihrer Anwendung. Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von keramischen Werkstoffen durch bestimmte Methoden verbessert in einem bestimmten Bereich die Fähigkeit zur Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung, so dass der Anwendungsbereich erweitert werden kann. Keramische Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen hauptsächlich aus Oxiden, Nitriden, Karbiden und Boriden, wie z. B. polykristalline Diamantkeramik, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid.
Polykristalliner Diamant (PCD)
Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Der theoretische Wert der Wärmeleitfähigkeit eines Einkristalls beträgt 1642 W/m-K bei Raumtemperatur, und der gemessene Wert liegt bei 2000 W/m-K. Allerdings ist großer einkristalliner Diamant schwer herzustellen und teuer. Beim Sintern von polykristallinem Diamant werden häufig Sinterhilfsmittel zugesetzt, um die Bindung zwischen den Diamantpulvern zu fördern und so PKD-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Allerdings kann der Sinterhilfsstoff die Verkohlung des Diamantpulvers beim Hochtemperatursintern katalysieren, so dass polykristalliner Diamant nicht mehr isoliert ist. Der kleine Diamant-Einkristall wird häufig als Verstärkungsmaterial zu Wärmeleitkeramiken hinzugefügt, um die Wärmeleitfähigkeit der Keramik zu verbessern.
Polykristalline Diamantkeramiken sind sowohl technische Materialien als auch neue Funktionsmaterialien. Gegenwärtig werden polykristalline Diamantkeramiken aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermischen, chemischen, akustischen, optischen und elektrischen Eigenschaften in den Bereichen der modernen Industrie, der Landesverteidigung und der Hoch- und Spitzentechnologie weithin eingesetzt.
Siliziumkarbid
Derzeit ist Siliziumkarbid (SiC) ein aktives wärmeleitendes Keramikmaterial im In- und Ausland. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid ist sehr hoch und erreicht 270 W/m-K. Da jedoch das Verhältnis von Oberflächenenergie zu Grenzflächenenergie von SiC-Keramikwerkstoffen niedrig ist, d. h. die Korngrenzenenergie ist hoch, ist es schwierig, hochreine und dichte SiC-Keramiken mit herkömmlichen Sinterverfahren herzustellen. Bei der Verwendung konventioneller Sinterverfahren muss Sinterhilfsmittel zugesetzt werden, und die Sintertemperatur muss über 2050 ℃ liegen. Diese Sinterbedingungen führen jedoch zum Wachstum von SiC-Körnern und verringern die mechanischen Eigenschaften von SiC-Keramiken erheblich.
Siliciumcarbid-Keramik findet breite Anwendung in Hochtemperaturlagern, kugelsicheren Platten, Düsen, korrosionsbeständigen Hochtemperaturteilen, Hochtemperatur- und Hochfrequenzteilen von elektronischen Geräten und anderen Bereichen.
Siliziumnitrid
Siliziumnitridkeramik (Si3N4) wird von Forschern im In- und Ausland wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Zähigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, gute Isolierung, Korrosionsbeständigkeit und Ungiftigkeit immer mehr beachtet. Die Bindungsstärke, die durchschnittliche Atommasse und die anharmonische Schwingung von Siliziumnitridkeramik sind ähnlich wie die von SiC. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkristallen beträgt 200 ~ 320 W/m-K. Da die Struktur von Si3N4 jedoch komplexer ist als die von Aluminiumnitrid (AlN) und die Streuung von Phononen größer ist, ist die Wärmeleitfähigkeit von gesinterten Si3N4-Keramiken in der vorliegenden Studie weitaus geringer als die von Si3N4-Einkristallen, was auch ihre Verbreitung und Anwendung begrenzt.
Beryllium-Oxid
Berylliumoxid (BeO) besitzt eine hexagonale Wurtzitstruktur mit einem geringen Abstand zwischen Be- und O-Atomen, einer geringen durchschnittlichen Atommasse und einer dichten Atomansammlung, die den Bedingungen des Slack-Modells mit der
hohen Wärmeleitfähigkeit des Einkristalls entspricht. 1971 testeten Slack und Auaterrman die Wärmeleitfähigkeit von BeO-Keramik und großem BeO-Einkristall und berechneten, dass die Wärmeleitfähigkeit von großem BeO-Einkristall bis zu 370 W/m-K erreichen kann. Gegenwärtig kann die Wärmeleitfähigkeit der hergestellten BeO-Keramik 280 W/m-K erreichen, was zehnmal höher ist als die von Aluminiumoxid (Al2O3)-Keramik.
Berylliumoxid findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, in der Kernkraft, in der Metallurgie, in der Elektronikindustrie, im Raketenbau und so weiter. BeO wird häufig als Trägerteile und Baugruppen in Avionik-Umwandlungsschaltungen und in Flugzeug- und Satellitenkommunikationssystemen verwendet; BeO-Keramik hat eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit und kann im Feuerrohr von Düsenflugzeugen eingesetzt werden; die metallbeschichtete BeO-Platte wurde im Steuersystem der Flugzeugantriebsvorrichtung verwendet; Ford und General Motors verwenden metallbesprühte Berylliumoxidauskleidungen in Autozündsystemen; BeO hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und lässt sich leicht miniaturisieren, so dass es breite Anwendungsmöglichkeiten im Laserbereich hat. BeO-Laser haben zum Beispiel einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Ausgangsleistung als Quarzlaser.
Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumnitrid-Keramiken sind die am häufigsten verwendeten Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid-Einkristallen kann 3200 W/m-K erreichen. Aufgrund der unvermeidlichen Verunreinigungen und Defekte im Sinterprozess erzeugen diese Verunreinigungen jedoch verschiedene Defekte im AlN-Gitter, die die durchschnittliche Freiheit der Phononen verringern und somit die Wärmeleitfähigkeit stark reduzieren. Neben den Auswirkungen der AlN-Gitterdefekte auf die Wärmeleitfähigkeit haben auch die Korngröße, die Morphologie sowie der Gehalt und die Verteilung der zweiten Phase der Korngrenze wichtige Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramik. Je größer die Korngröße, desto größer ist die durchschnittliche Phononenfreiheit und desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit von gesinterten AlN-Keramiken.
Als typischer kovalenter Komplex hat Aluminiumnitrid einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen atomaren Selbstdiffusionskoeffizienten und eine hohe Korngrenzenenergie während des Sinterns. Daher ist es schwierig, hochreine AlN-Keramiken mit herkömmlichen Sinterverfahren herzustellen. Darüber hinaus kann die Zugabe geeigneter Brennhilfsmittel mit dem Sauerstoff im Gitter reagieren, um eine zweite Phase zu bilden, das AlN-Gitter zu reinigen und die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Gängige Sinterhilfsmittel für AlN-Keramik sind Yttriumoxid (Y2O3), Kalziumkarbonat (CaCO3), Kalziumfluorid (CaF2), Ytterbiumfluorid (YF3), usw. Derzeit werden AlN-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit durch Zugabe geeigneter Sinterhilfsmittel im In- und Ausland eingehend untersucht, und es wurden AlN-Keramiken mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von bis zu 200 W/m-K hergestellt. Allerdings sind die Produktionskosten für AlN-Keramik aufgrund der langen Sinterzeit, der hohen Sintertemperatur und des Preises für hochwertiges AlN-Pulver hoch.
