Nel campo dei materiali ceramici avanzati, il nitruro di silicio (Si3N4) ha attirato molta attenzione per la sua eccellente resistenza meccanica, stabilità chimica e proprietà alle alte temperature. Tuttavia, la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio, in quanto uno dei fattori chiave che ne influenzano l'ampia applicazione, è stata un argomento importante nella ricerca sulla scienza dei materiali. Questo articolo mira a studiare il meccanismo di trasferimento del calore delle ceramiche al nitruro di silicio, in particolare la vibrazione del reticolo e il fenomeno della diffusione durante la conduzione dei fononi, e si concentra sul ruolo unico degli additivi di carbonio nel processo di sinterizzazione del nitruro di silicio e sul meccanismo di miglioramento della conduttività termica. Attraverso l'analisi completa di dati sperimentali e modelli teorici, questo articolo mira a fornire nuove idee e strategie per la preparazione del substrato di nitruro di silicio con elevata conduttività termica.
Comprensione del meccanismo di trasferimento del calore
Essendo un tipico materiale ceramico legato covalente, il meccanismo di trasferimento del calore del nitruro di silicio dipende principalmente dalla vibrazione del reticolo e dalla conduzione dei fononi. La propagazione non lineare e la collisione tra fononi nel reticolo non sono solo limitate dalla struttura reticolare stessa, ma sono anche influenzate dalle caratteristiche della microstruttura come difetti interni, impurità e bordi dei grani. In particolare, l'ossigeno reticolare è la principale fonte di diffusione e il suo contenuto è direttamente correlato al percorso libero medio dei fononi, che influenza la conduttività termica del nitruro di silicio. Pertanto, la riduzione del contenuto di ossigeno nel reticolo diventa uno dei modi principali per migliorare la conduttività termica del nitruro di silicio.
Discussione sull'introduzione e sul meccanismo degli additivi al carbonio
Negli ultimi anni, la ricerca sul carbonio come additivo per la sinterizzazione di ceramiche non contenenti ossidi ha attirato ampia attenzione. Nel sistema al nitruro di silicio, il carbonio viene introdotto non solo per rimuovere le impurità dell'ossido sulla superficie della polvere di ossido, ma, cosa ancora più importante, può svolgere un ruolo di riduzione significativo nel processo di nitrurazione e post-sinterizzazione. Nello specifico, il carbonio può ridurre la pressione parziale di SiO e favorire la riduzione delle impurità contenenti ossigeno come SiO2, riducendo così il contenuto di ossigeno reticolare. Questo processo non solo ha purificato l'ambiente reticolare, ma ha anche promosso la crescita dei grani di nitruro di silicio e l'ottimizzazione della struttura.
Effetto degli additivi del carbonio sulla conduttività termica delle ceramiche di nitruro di silicio
I risultati sperimentali mostrano che la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio può essere significativamente migliorata aggiungendo una quantità adeguata di carbonio. Nello specifico, la riduzione del carbonio aumenta il rapporto atomico secondario N/O tra i grani di nitruro di silicio, formando una microstruttura bimodale favorevole alla conduzione del calore. Questa caratteristica strutturale è caratterizzata dalla coesistenza di grani grandi e grani allungati, che forniscono efficienti canali di conduzione del calore, mentre i grani allungati aiutano a ridurre la dispersione dei fononi e migliorano congiuntamente la conduttività termica delle ceramiche di nitruro di silicio.
Inoltre, l'uso di additivi al carbonio riduce anche i severi requisiti relativi al contenuto di ossigeno delle materie prime e alla selezione degli additivi per la sinterizzazione. Tradizionalmente, per ottenere ceramiche di nitruro di silicio ad alta conduttività termica, è spesso necessario scegliere polvere di materia prima con basso contenuto di ossigeno e additivi di sinterizzazione ad alte prestazioni, il che aumenta senza dubbio il costo di preparazione. L'introduzione di additivi al carbonio allevia questo problema in una certa misura, in modo che ceramiche di nitruro di silicio con eccellente conduttività termica possano essere preparate in una gamma più ampia di materie prime e additivi.
Prospettiva di applicazione industriale
Con il continuo progresso della tecnologia e la continua ottimizzazione dei costi, si prevede che il metodo di sinterizzazione assistita da additivi di carbonio per preparare ceramiche al nitruro di silicio ad alta conduttività termica sarà ampiamente utilizzato nella produzione industriale. Questo metodo non solo migliora la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio, ma riduce anche i costi di preparazione, fornendo una soluzione più economica ed efficiente per i settori dell'imballaggio elettronico ad alte prestazioni, dell'aerospaziale e della conversione dell'energia. In futuro, non vediamo l'ora di promuovere ulteriormente l'applicazione innovativa e lo sviluppo di materiali di substrato in nitruro di silicio in più campi attraverso una ricerca più approfondita e l'ottimizzazione dei processi.
In sintesi, la sinterizzazione assistita da aggiunta di carbonio, come tecnologia di preparazione innovativa per le ceramiche al nitruro di silicio, ottimizza la microstruttura del materiale attraverso il suo esclusivo effetto di riduzione e migliora significativamente la conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio. Questa scoperta non solo apre una nuova strada per la preparazione di ceramiche di nitruro di silicio ad alte prestazioni, ma fornisce anche una soluzione più economica ed efficiente per lo sviluppo di imballaggi elettronici, aerospaziali e di conversione dell'energia. Con il continuo approfondimento della ricerca e il continuo progresso della tecnologia, abbiamo motivo di credere che la ceramica al nitruro di silicio mostrerà il suo fascino unico e le ampie prospettive di applicazione in più campi. Allo stesso tempo, questo ci incoraggerà anche a continuare a esplorare nuove tecnologie di preparazione dei materiali e a promuovere il progresso e lo sviluppo della scienza dei materiali.
