Im Bereich der modernen Keramikmaterialien hat Siliziumnitrid (Si3N4) aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Festigkeit, chemischen Stabilität und Hochtemperatureigenschaften große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken als einer der Schlüsselfaktoren für ihre breite Anwendung ein wichtiges Thema in der materialwissenschaftlichen Forschung. Ziel dieser Arbeit ist es, den Wärmeübertragungsmechanismus von Siliziumnitridkeramiken zu untersuchen, insbesondere das Gittervibrations- und Streuphänomen während der Phononenleitung, und sich auf die einzigartige Rolle von Kohlenstoffzusätzen im Sinterprozess von Siliziumnitrid und den Mechanismus zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zu konzentrieren. Durch die umfassende Analyse experimenteller Daten und theoretischer Modelle zielt dieser Artikel darauf ab, neue Ideen und Strategien für die Herstellung von Siliziumnitridsubstraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen.
Neuverständnis des Wärmeübertragungsmechanismus
Als typisches kovalent gebundenes Keramikmaterial hängt der Wärmeübertragungsmechanismus von Siliziumnitrid hauptsächlich von Gittervibrationen und Phononenleitung ab. Die nichtlineare Ausbreitung und Kollision zwischen Phononen im Gitter wird nicht nur durch die Gitterstruktur selbst eingeschränkt, sondern auch durch die Mikrostruktureigenschaften wie interne Defekte, Verunreinigungen und Korngrenzen beeinflusst. Insbesondere Gittersauerstoff ist die Hauptstreuquelle und sein Gehalt steht in direktem Zusammenhang mit der mittleren freien Weglänge der Phononen, die die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid beeinflusst. Daher wird die Reduzierung des Gittersauerstoffgehalts zu einer der wichtigsten Möglichkeiten zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid.
Diskussion über die Einführung und den Mechanismus von Kohlenstoffzusätzen
In den letzten Jahren hat die Erforschung von Kohlenstoff als Sinteradditiv für Nichtoxidkeramiken große Aufmerksamkeit erregt. Im Siliziumnitridsystem wird Kohlenstoff nicht nur eingebracht, um die Oxidverunreinigungen auf der Oberfläche des Oxidpulvers zu entfernen, sondern, was noch wichtiger ist, er kann eine erhebliche Reduktionsrolle beim Nitrier- und Nachsinterprozess spielen. Insbesondere kann Kohlenstoff den Partialdruck von SiO senken und die Reduzierung sauerstoffhaltiger Verunreinigungen wie SiO2 fördern, wodurch der Gehalt an Gittersauerstoff verringert wird. Dieser Prozess reinigte nicht nur die Gitterumgebung, sondern förderte auch das Wachstum von Siliziumnitridkörnern und die Optimierung der Struktur.
Auswirkung von Kohlenstoffzusätzen auf die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramik durch Zugabe der richtigen Menge Kohlenstoff deutlich verbessert werden kann. Insbesondere erhöht die Reduktion von Kohlenstoff das sekundäre N/O-Atomverhältnis zwischen Siliziumnitridkörnern und bildet eine bimodale Mikrostruktur, die die Wärmeleitung begünstigt. Dieses Strukturmerkmal ist durch das Nebeneinander von großen Körnern und länglichen Körnern gekennzeichnet, die effiziente Wärmeleitungskanäle bereitstellen, während längliche Körner dazu beitragen, die Phononenstreuung zu reduzieren und gemeinsam die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken zu verbessern.
Darüber hinaus reduzieren sich durch den Einsatz von Kohlenstoffadditiven auch die strengen Anforderungen an den Sauerstoffgehalt der Rohstoffe und die Auswahl der Sinteradditive. Um Siliziumnitridkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu erhalten, ist es traditionell häufig erforderlich, Rohstoffpulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt und leistungsstarken Sinteradditiven zu wählen, was zweifellos die Herstellungskosten erhöht. Durch die Einführung von Kohlenstoffadditiven wird dieses Problem bis zu einem gewissen Grad gemildert, sodass Siliziumnitridkeramiken mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit in einem breiteren Spektrum an Rohstoffen und Additiven hergestellt werden können.
Aussicht auf industrielle Anwendung
Aufgrund des kontinuierlichen technologischen Fortschritts und der kontinuierlichen Kostenoptimierung wird erwartet, dass die Methode des Kohlenstoffadditiv-unterstützten Sinterns zur Herstellung von Siliziumnitridkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit in der industriellen Produktion weit verbreitet sein wird. Diese Methode verbessert nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken, sondern reduziert auch die Herstellungskosten und bietet eine wirtschaftlichere und effizientere Lösung für Hochleistungselektronikgehäuse, Luft- und Raumfahrt sowie Energieumwandlungsbereiche. Wir freuen uns darauf, die innovative Anwendung und Entwicklung von Siliziumnitrid-Substratmaterialien in Zukunft durch tiefergehende Forschung und Prozessoptimierung weiter voranzutreiben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Kohlenstoffadditionsunterstützte Sintern als innovative Vorbereitungstechnologie für Siliziumnitridkeramiken durch seinen einzigartigen Reduktionseffekt die Mikrostruktur des Materials optimiert und die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken deutlich verbessert. Diese Entdeckung eröffnet nicht nur einen neuen Weg für die Herstellung von Hochleistungs-Siliziumnitrid-Keramiken, sondern bietet auch eine wirtschaftlichere und effizientere Lösung für die Entwicklung elektronischer Verpackungen, Luft- und Raumfahrt und Energieumwandlung. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Forschung und dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie haben wir Grund zu der Annahme, dass Siliziumnitridkeramik ihren einzigartigen Charme und ihre breiten Anwendungsaussichten in mehr Bereichen zeigen wird. Gleichzeitig wird uns dies auch dazu ermutigen, weiterhin neue Technologien zur Materialaufbereitung zu erforschen und den Fortschritt und die Entwicklung der Materialwissenschaften voranzutreiben.
