浅谈影响陶瓷材料热传递性能的因素

发布时间:2019-01-10      点击:

如今随着技术发展,导热陶瓷作为一种同时具备高导热系数、高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蚀等特性的材料,已在化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光等领域得到重用。尤其是在手机基板等应用市场,人们对它的需求越发见长。

  

因此为了更好地扩展导热陶瓷的应用范围,提高其热传递性能具有重要意义。但在此之前,首先要了解是什么影响了陶瓷的导热性能,下文中小编便就各种影响因素进行总结。

影响因素及改进分析

在陶瓷中,有三种热量传递方式,即对流、辐射和热传导。陶瓷导热性能的高低与它的组成、内部结构、密度、湿度、热处理温度、压力等因素有关。

1.组成

传统陶瓷的导热性能不佳,而导热率低的原因与原料离不开关系,传统陶瓷的原料主要是粘土、石英、长石3大类导热率不佳的天然原料。因此为了提高陶瓷导热系数,须往里掺杂组分,这种方法按掺杂组分性质的不同可以分为两种:①向陶瓷中添加非金属材料;②添加金属材料。

例如:

①添加非金属材料:红瓷砖的导热性比普通瓷砖更好,是由于其含有的Fe203以及莫来石结晶相。通过添加适量A1203也可以提高瓷砖的导热系数,但添加过多的话会使陶瓷的烧结温度提高。为了降低不利影响,Yu等人利用石墨烯和氧化铝的协同作用改变了材料的内部结构,从而获得了导热性能较好的陶瓷材料。

②添加金属材料:金属的热传递性能比绝大部分陶瓷都要优异,组合两者可有效改善陶瓷的导热性能,何永祥等人便成功制备了陶瓷与金属Cu两种材料相互扩散形成稳定的金属渗透梯度层,有效降低了陶瓷材料的热阻。

部分材料的导热系数对比

材料

导热系数(W/(m·K))

材料

导热系数(W/(m·K))

空气

0.028

Si

150

玻璃

0。96

Si

150

瓷器

1.5

Al

230

TiO2

3。4

SiC

270

MgAl2O4

6。6

BeO

270

ZnO

26

AlN

320

Al2O3陶瓷(96%~99.99%)

23~32

Cu

390

Al2O3

30

Ag

420

SiO2

34

碳纤维

400~700

MgO

36

金刚石

2000

GaP

77

石墨烯

4840~5300


2.气孔

素坯在烧成过程中,坯体中因含有有机物或者无机盐、粉料中颗粒状的杂质(如铁质、未磨细的残渣颗粒等)以及过多玻璃相的出现,会产生较大的气孔或气泡。气孔的出现必然会改变热量在陶瓷材料内部的转移方式,对热传递产生重大影响。

高气孔率陶瓷 

在致密度较高且处于温度不太高的环境的陶瓷中,热传导为主要的热传递方式。而在多孔陶瓷中,对流、辐射、热传导等热量传递方式都存在。因此,在对陶瓷的导热系数进行分析时,应综合考虑气孔的孔径大小、分布情况和连通方式。

例如:

早在冶金工业初期,为了减少热量损失,人们便会对熔炉陶瓷壁进行多孔化(封闭气孔)处理,在很大程度上降低陶瓷壁的导热系数使其内部易于维持较高的温度。Yuan等人通过对多孔陶瓷导热系数的研究,发现原料颗粒尺寸约为1μm的多孔陶瓷的导热系数是相同粒径尺寸密实陶瓷的75%——也就是说,气孔的体积分数越大,陶瓷的导热系数越低。

3。内部缺陷和显微结构

内部缺陷和显微结构对陶瓷导热系数的影响主要是由材料的声子导热机理决定的。各类缺陷都是引起声子散射的中心,因此它们都会减小声子平均自由程和导热系数。内部缺陷也是声子散射的中心,这种中心越多,声子散射所造成的能量损失也越多。因此,在寻求有效方法增加材料导热系数的同时,须采取诸如添加烧结助剂、增加烧结时间等措施以减少材料内部缺陷的出现。

例如:

SiC和AlN都是较为常用的高导热陶瓷,理论上两者混合应具有更好的导热性能。但事实上Zhang等人的实验结果证明,虽然添加一定量的AlN粉末后SiC陶瓷会变得更加致密,但是杂质和主原子之间的颗粒尺寸和原子间力以及其他作用力之间存在差异,由此引起的内部缺陷会导致SiC陶瓷导热系数的降低。

4。热处理过程

在陶瓷制造工艺过程中,热处理是最重要的工序之一。该过程将影响坯体的一系列物理化学变化,并影响成品的显微结构和矿物组成。而在热处理过程中,陶瓷的不同组成成分也会发生不同的变化。

以髙岭土为例,对这种单一成分及其作为主要成分的生坯在不同的温度(700~1400C)下的导热系数进行研究时发现,热处理温度低于1050℃时,生坯及髙岭土的有效导热系数较低,小于0.3W/(m·K)。但当采用更高温度热处理时,其导热系数会迅速增加,达到了3W/(m·K)。由此可见,在一定温度区间内,相同处理过程下不同温度对材料导热系数具有极大的影响力。部分陶瓷材料的热导率随温度变化可看下图。

总结

综上,若想提高陶瓷的热传递性能,须综合其多个变量共同考虑,如提高陶瓷材料纯度、提高陶瓷材料的密度、减少结构缺陷、减少气孔、减少晶界、减少玻璃相,适当控制颗粒尺寸、合理的烧成制度等。除此之外,通过添加石墨烯、类石墨烯等非金属材料帮助陶瓷材料提高导热性也不妨是一种值得深入研究的手段。

资料来源:

1.高导热陶瓷材料的研究现状与前景分析,江期鸣,黄惠宁,孟庆娟,张王林,黄辛辰,张国涛。

2.陶瓷材料热传递的影响因素,孔令凯,沈建兴,肖凤军。

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