淺談影響陶瓷材料熱傳遞性能的因素

發布時間:2019-01-10      點擊:

如今隨著技術發展,導熱陶瓷作為一種同時具備高導熱系數、高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化、耐腐蝕等特性的材料,已在化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光等領域得到重用。尤其是在手機基板等應用市場,人們對它的需求越發見長。

  

因此為了更好地擴展導熱陶瓷的應用范圍,提高其熱傳遞性能具有重要意義。但在此之前,首先要了解是什么影響了陶瓷的導熱性能,下文中小編便就各種影響因素進行總結。

影響因素及改進分析

在陶瓷中,有三種熱量傳遞方式,即對流、輻射和熱傳導。陶瓷導熱性能的高低與它的組成、內部結構、密度、濕度、熱處理溫度、壓力等因素有關。

1.組成

傳統陶瓷的導熱性能不佳,而導熱率低的原因與原料離不開關系,傳統陶瓷的原料主要是粘土、石英、長石3大類導熱率不佳的天然原料。因此為了提高陶瓷導熱系數,須往里摻雜組分,這種方法按摻雜組分性質的不同可以分為兩種:①向陶瓷中添加非金屬材料;②添加金屬材料。

例如:

①添加非金屬材料:紅瓷磚的導熱性比普通瓷磚更好,是由于其含有的Fe203以及莫來石結晶相。通過添加適量A1203也可以提高瓷磚的導熱系數,但添加過多的話會使陶瓷的燒結溫度提高。為了降低不利影響,Yu等人利用石墨烯和氧化鋁的協同作用改變了材料的內部結構,從而獲得了導熱性能較好的陶瓷材料。

②添加金屬材料:金屬的熱傳遞性能比絕大部分陶瓷都要優異,組合兩者可有效改善陶瓷的導熱性能,何永祥等人便成功制備了陶瓷與金屬Cu兩種材料相互擴散形成穩定的金屬滲透梯度層,有效降低了陶瓷材料的熱阻。

部分材料的導熱系數對比

材料

導熱系數(W/(m·K))

材料

導熱系數(W/(m·K))

空氣

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

碳纖維

400~700

MgO

36

金剛石

2000

GaP

77

石墨烯

4840~5300


2。氣孔

素坯在燒成過程中,坯體中因含有有機物或者無機鹽、粉料中顆粒狀的雜質(如鐵質、未磨細的殘渣顆粒等)以及過多玻璃相的出現,會產生較大的氣孔或氣泡。氣孔的出現必然會改變熱量在陶瓷材料內部的轉移方式,對熱傳遞產生重大影響。

高氣孔率陶瓷 

在致密度較高且處于溫度不太高的環境的陶瓷中,熱傳導為主要的熱傳遞方式。而在多孔陶瓷中,對流、輻射、熱傳導等熱量傳遞方式都存在。因此,在對陶瓷的導熱系數進行分析時,應綜合考慮氣孔的孔徑大小、分布情況和連通方式。

例如:

早在冶金工業初期,為了減少熱量損失,人們便會對熔爐陶瓷壁進行多孔化(封閉氣孔)處理,在很大程度上降低陶瓷壁的導熱系數使其內部易于維持較高的溫度。Yuan等人通過對多孔陶瓷導熱系數的研究,發現原料顆粒尺寸約為1μm的多孔陶瓷的導熱系數是相同粒徑尺寸密實陶瓷的75%——也就是說,氣孔的體積分數越大,陶瓷的導熱系數越低。

3.內部缺陷和顯微結構

內部缺陷和顯微結構對陶瓷導熱系數的影響主要是由材料的聲子導熱機理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心,因此它們都會減小聲子平均自由程和導熱系數。內部缺陷也是聲子散射的中心,這種中心越多,聲子散射所造成的能量損失也越多。因此,在尋求有效方法增加材料導熱系數的同時,須采取諸如添加燒結助劑、增加燒結時間等措施以減少材料內部缺陷的出現。

例如:

SiC和AlN都是較為常用的高導熱陶瓷,理論上兩者混合應具有更好的導熱性能。但事實上Zhang等人的實驗結果證明,雖然添加一定量的AlN粉末后SiC陶瓷會變得更加致密,但是雜質和主原子之間的顆粒尺寸和原子間力以及其他作用力之間存在差異,由此引起的內部缺陷會導致SiC陶瓷導熱系數的降低。

4.熱處理過程

在陶瓷制造工藝過程中,熱處理是最重要的工序之一。該過程將影響坯體的一系列物理化學變化,并影響成品的顯微結構和礦物組成。而在熱處理過程中,陶瓷的不同組成成分也會發生不同的變化。

以髙嶺土為例,對這種單一成分及其作為主要成分的生坯在不同的溫度(700~1400C)下的導熱系數進行研究時發現,熱處理溫度低于1050℃時,生坯及髙嶺土的有效導熱系數較低,小于0.3W/(m·K)。但當采用更高溫度熱處理時,其導熱系數會迅速增加,達到了3W/(m·K)。由此可見,在一定溫度區間內,相同處理過程下不同溫度對材料導熱系數具有極大的影響力。部分陶瓷材料的熱導率隨溫度變化可看下圖。

總結

綜上,若想提高陶瓷的熱傳遞性能,須綜合其多個變量共同考慮,如提高陶瓷材料純度、提高陶瓷材料的密度、減少結構缺陷、減少氣孔、減少晶界、減少玻璃相,適當控制顆粒尺寸、合理的燒成制度等。除此之外,通過添加石墨烯、類石墨烯等非金屬材料幫助陶瓷材料提高導熱性也不妨是一種值得深入研究的手段。

資料來源:

1.高導熱陶瓷材料的研究現狀與前景分析,江期鳴,黃惠寧,孟慶娟,張王林,黃辛辰,張國濤。

2。陶瓷材料熱傳遞的影響因素,孔令凱,沈建興,肖鳳軍。

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