陶瓷材料傳熱性能對其拓展應用領域具有極其重要的影響，在一定范圍內，通過特定方法增加陶瓷材料的導熱系數，將會提高其熱傳導、熱對流、熱輻射的能力，進一步拓展其應用領域。高導熱系數陶瓷材料主要以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主，如聚晶金剛石陶瓷、AlN、BeO、Si3N4、SiC等陶瓷材料。

    1、聚晶金剛石陶瓷（PCD陶瓷）

    金剛石的傳熱能力很強，其單晶體在常溫下熱導率理論值為1642W/m·K，實測值為2000W/m·K。但金剛石大單晶難以制備，且價格昂貴。聚晶金剛石燒結過程中往往需要加入助燒劑以促進金剛石粉體之間的粘結，從而得到高導熱PCD陶瓷。但在高溫燒結過程中，助燒劑會催化金剛石粉碳化，使聚晶金剛石不再絕緣。金剛石小單晶常被作為提高陶瓷熱導率的增強材料添加到導熱陶瓷中，以起到提高陶瓷導熱率的作用。

    聚晶金剛石陶瓷既是工程材料，又是新型的功能性材料。目前，聚晶金剛石陶瓷以其優良的力、熱、化學、聲、光、電等性能，在現代工業、國防和高新技術等領域中得到日益廣泛的應用。

圖1 聚晶金剛石陶瓷

    2、SiC陶瓷

    目前碳化硅（SiC）是國內外研究較為活躍的導熱陶瓷材料。SiC的理論熱導率非常高，已達到270W/m·K。但由于SiC陶瓷材料的表面能與界面能的比值低，即晶界能較高，因而很難通過常規方法燒結出高純致密的SiC陶瓷。采用常規的燒結方法時，必須添加助燒劑且燒結溫度必須達到2050℃以上，但這種燒結條件又會引起SiC晶粒長大，大幅降低SiC陶瓷的力學性能。

    SiC陶瓷在石油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光、礦業及原子能等工業領域獲得了廣泛的應用，碳化硅陶瓷已經廣泛應用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設備零部件等領域。

圖2 SiC陶瓷

    3、Si3N4陶瓷

    Si3N4陶瓷具有高韌性、抗熱沖擊能力強、絕緣性好、耐腐蝕和無毒等優異的性能，越來越受到國內外研究人員的重視。氮化硅陶瓷的原子鍵結合強度、平均原子質量和晶體非諧性振動與SiC相似，具備高導熱材料的理論基礎。Si3N4晶體的理論熱導率為200～320W/m·K，但由于氮化硅的結構比AlN的結構更為復雜，對聲子的散射較大，因而在目前研究中，燒結出的氮化硅陶瓷的熱導率遠低于氮化硅單晶，但同時這些特點也限制了其規模化推廣與應用。

圖3 Si3N4陶瓷

    Si3N4陶瓷作為高溫結構陶瓷，具有高強度、耐高溫、熱傳導率高等特點，在陶瓷材料中其綜合力學性能最好，耐熱震性能、抗氧化性能、耐磨損性能、耐蝕性能好，是熱機部件用陶瓷的第一候選材料。在機械工業，氮化硅陶瓷用作軸承滾珠、滾柱、滾球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心軸密封材料等。

    4、BeO陶瓷

    BeO屬于六方纖鋅礦結構，Be原子和O原子之間距離小，平均原子質量小，原子堆積密集，符合Slack等單晶的熱導率的模型高導熱陶瓷的條件。1971年Slack和Auaterrman測試出BeO陶瓷和BeO大單晶的熱導率，并且計算出BeO大單晶的熱導率最高可達到370W/m·K。目前制備出的BeO陶瓷的熱導率可達到280W/m·K，是Al2O3陶瓷的10倍。

    BeO廣泛應用于航天航空，核動力，冶金工程，電子工業，火箭制造等。在航空電子技術轉換電路中以及飛機和衛星通訊系統中大量用BeO來作托架部件和裝配件；在飛船電子學方面也有應用前景，利用BeO陶瓷具有特別高的耐熱沖擊性，可在噴氣式飛機的導火管中使用。經金屬涂層的BeO板材已用于飛機驅動裝置的控制系統；福特和通用汽車公司在汽車點火裝置中使用了噴涂金屬的氧化鈹襯片[13]。BeO陶瓷的導熱性能良好，而且易于小型化，在激光領域的應用前景廣闊，如BeO激光器比石英激光器的效率高，輸出功率大。

    5、AlN陶瓷

    AlN陶瓷是目前應用較高的高導熱材料。AlN單晶的理論熱導率可以達到3200W/m·K，但是由于燒結過程中不可避免的雜質摻入和缺陷，這些雜質在AlN晶格中產生各種缺陷使聲子的平均自由度減小，從而大幅降低其熱導率。除了AlN晶格缺陷對其熱導率的影響外，晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布對AlN陶瓷熱導率也有著重要影響。晶粒尺寸越大，聲子平均自由度越大，燒結出的AlN陶瓷熱導率就越高，但根據燒結理論，晶粒越大，聚晶體陶瓷越難燒結。

圖4 AlN陶瓷

    由于AlN是一種典型的共價合物，具有很高的熔點，在燒結的過程中原子的自擴散系數小、晶界能較高，因而通常很難采用常規的燒結方法燒結出高純的AlN陶瓷，必須添加助燒劑來促進燒結。此外所添加的適當的助燒劑還可以與晶格中的氧發生反應，生成第二相，凈化AlN晶格，提高熱導率。

    常見的AlN陶瓷助燒劑有：Y2O3、CaCO3、CaF2、YF3等。目前國內外對添加適當的助燒劑燒結高導熱AlN陶瓷進行了廣泛研究，并且制備出熱導率達到200W/m·K左右的高導熱AlN陶瓷。添加助燒劑燒結高導熱AlN陶瓷的方法目前已廣泛應用于生產中，但是由于AlN陶瓷燒結時間長、燒結溫度高、高品質AlN粉體價格貴等原因，導致AlN陶瓷制作成本高。

    參考文獻：

    1、孫坤，雍岐龍，裴和中，高導熱電絕緣陶瓷的研究方向及應用前景，昆明理工大學學報（自然科學版）。

    2、曾令可，漆小玲，王慧等，氧化物熱電材料熱導率的研究，硅酸鹽通報。

    3、江期鳴黃惠寧孟慶娟，高導熱陶瓷材料的研究現狀與前景分析，陶瓷。

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責任編輯：殷鵬飛

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