分享：高导热碳化硅陶瓷的研究进展
王晓波1,2,王 峰2,贺智勇2,张启富1,2
(1.钢铁研究总院,北京100081;2.中国钢研科技集团有限公司,北京100081)
摘 要:近年来,集成电路、热交换器、半导体等行业的快速发展对碳化硅陶瓷的导热性能提出了更高的要求。碳化硅陶瓷内部存在的晶格氧、晶界、气孔等缺陷导致其室温热导率远低于碳化硅单晶理论室温热导率。综述了添加剂、烧结工艺等因素对碳化硅陶瓷室温热导率的影响,并对高导热碳化硅陶瓷的未来发展方向进行了展望。关键词:碳化硅陶瓷;热导率;添加剂;烧结工艺中图分类号:TQ174.75 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)09-0008-05
碳化硅陶瓷是一种重要的工程陶瓷,具有高强度、高硬度、高导热、耐腐蚀、耐磨损等优异性能[1-2],广泛应用于机械密封、防弹装甲、过滤器、热交换器、半导体等方面[3-6]。随着集成电路、热交换器等行业的迅猛发展,以及近年来对半导体制造设备元器件高热导率、优异抗热震性和耐腐蚀性综合性能要求的提高,高导热碳化硅陶瓷的需求量急剧增长[6],学者对碳化硅陶瓷热导率的关注越来越多。碳化硅是一种共价键化合物,在室温下其热传导主要通过晶格振动(声子)的传递和散射而进行。碳化硅单晶的理论室温热导率高达490W•m-1•K-1[7]。目前文献报道的碳化硅陶瓷室温热导率在30~270 W•m-1•K-1[8-12],远低于碳化硅单晶理论室温热导率,这主要是由于碳化硅陶瓷中存在烧结助剂、晶界、固溶体、晶格氧、气孔等[11-12]。国内外研究人员在提高碳化硅陶瓷热导率方面进行了大量研究,所采用的方法主要包括添加其他组分和调整烧结工艺。作者综述了添加剂、烧结工艺等因素对碳化硅陶瓷室温热导率的影响,并对其作用机理进行了分析,以期为同行业研究人员提供一定参考。
1 热传导理论固体材料的热导率
取决于热载体的数量,热载体包括声子和电荷载体(电子或空位);热载体的数量越多,固体材料的热导率越高。在声子占主导地位的固体热传导中,热导率k的计算公式[13]为k=cvλ3(1)式中:c为单位体积比热容;v为声子平均速度;λ为声子平均自由程。8王晓波,等:高导热碳化硅陶瓷的研究进展声子在传输过程中遇到固体材料中的孔隙、晶界、位错、固溶体、杂质等会发生散射,声子的自由程和传播速度降低,材料的热导率减小[14]。另外,固体材料的热导率还可以通过测试扩散系数、密度、比热容来获得,固体材料的密度对热导率有较大的影响,计算公式为k=αρcp (2)式中:α为材料的扩散系数;ρ为材料的密度;cp 为材料的比定压热容。
2 添加剂对碳化硅陶瓷热导率的影响
2.1 高热导率添加剂
通过添加其他组分制备高导热碳化硅陶瓷时,一般选择热导率较高的物质作为第二相,如 BeO(室温热导率370W•m-1•K-1[15])、石墨烯(4.40×103~5.78×103 W•m-1•K-1[16])等。添加高导热的组 分 有 利 于 碳 化 硅 陶 瓷 热 导 率 的 提 高[17]。NAKANO等[18]以BeO为添加剂,采用真空热压烧结工艺制备出室温热导率达到270W•m-1•K-1的碳化硅陶瓷;该陶瓷中 SiC 晶粒的三晶交界处有Be2SiO4 生成,并检测到铁、钛、铝、镍等元素的存在,分析认为高温条件下 BeO-SiO2-SiC组成的三元体系在局部区域发生液相反应生成 Be2SiO4,同时SiC晶粒中铁、钛、铝、镍等杂质原子在液相反应过程中析出。SiC晶格的氧含量对碳化硅陶瓷的室温热导率影响较大。SiC晶格中的氧原子主要以SiO2 溶解于SiC晶格的形式存在,2个氧原子占据2个碳原子位置,便会形成一个硅原子空位以保持电荷平衡,这些点缺陷会导致声子-空位散射,从而影响碳化硅陶瓷的热导率[19]。BeO除自身具有较高的热导率之外,还参与了SiC晶格氧的去除,因此BeO作为第二相可制备出热导率较高的碳化硅陶瓷。石墨烯是一种由平面碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状结构材料,具有优异的热力学性能和电学性能[20],目前已广泛用作改善陶瓷热力学性能的添加剂[21-23]。LI等[24]研究表明,随着石墨烯加入量的增加,无压固相烧结碳化硅陶瓷的热导率呈先增大后减小的趋势,当陶瓷中添加石墨烯的质量分数为2.0%时,碳化硅陶瓷获得最高热导率(145W•m-1•K-1)。这主要是由于随着石墨烯添加量的增加,碳化硅陶瓷内部的电导率提高,可自由移动的载流子增多,有利于碳化硅陶瓷热导率的提高;但随着石墨烯添加量的继续增加,碳化硅陶瓷的相对密度降低,陶瓷基体中气孔、杂质、晶界等缺陷增多,使得热传导过程中声子的平均速度和平均自由程降低,导致碳化硅陶瓷热导率的降低[24-25]。采用放电等离子烧结工艺、热压烧结工艺制备石墨烯/碳化硅陶瓷时,石墨烯在陶瓷基体中呈高度定向排列,陶瓷的热导率也存在各向异性的特点[11,26]。综上所述,高热导率添加剂提高碳化硅陶瓷热导率的机理可归纳为:(1)添加剂具有超高的热导率;(2)添加剂具有高的电子迁移率,增加了碳化硅陶瓷基体中自由移动载流子数量;(3)添加剂与碳化硅颗粒表面SiO2 发生反应,降低SiC晶格氧含量和缺陷数量,改善SiC晶粒间的接触情况,从而减少SiC晶体中的声子散射,提高碳化硅陶瓷的热导率[27]。
2.2 Y2O3-RE2O3 复合添加剂
RE2O3 表示稀土氧化物,RE 代表钐、钆、镥、镧、钪等稀土元素。以 Y2O3-RE2O3 为添加剂的碳化硅陶瓷试样中均发现 Y-RE-Si的氧化物,分析认为该氧化物主要是由 Y2O3-RE2O3 与碳化硅颗粒表面SiO2 发生反应生成的[28-30]。Y2O3-RE2O3 可以大幅降低碳化硅陶瓷的晶格氧含量并使其获得较高的 热 导 率。ZHOU 等[19] 以 体 积 分 数 5% 的Y2O3-La2O3 为添加剂,采用热压烧结工艺制备的碳化硅陶瓷晶格氧含量较未添加添加剂的降低了73.2%,室温热导率达到了167W·m-1·K-1。SEO等[31]以体积分数0.79%的Y2O3-Sc2O3 为添加剂,通过放电等离子烧结工艺制备了室温热导率为234W·m-1·K-1的碳化硅陶瓷,晶格氧含量较未添加添加剂的降低了73.6%。CHO等[32]以体积分数3%的 Gd2O3-Y2O3 为添加剂,通过热压烧结工艺(2000℃,40MPa,保温12h)制备得到室温热导率为225W·m-1·K-1的碳化硅陶瓷,晶格氧含量较未添加添加剂的降低了71.8%。JANG 等[28]利用热压 烧 结 工 艺 制 备 了 含 有 体 积 分 数 2%Y2O3-Sm2O3 的碳化硅陶瓷,发现陶瓷的室温热导率为198.2 W·m-1·K-1,晶格氧含量较未添加 Y2O3-Sm2O3 的降低了72.2%;分别添加体积分数2%的Y2O3、Y2O3-Sm2O3、Y2O3-Gd2O3、Y2O3-Lu2O3 添加剂,其中Y2O3 与RE2O3 物质的量比为1∶1,用热压烧结工艺制备得到碳化硅陶瓷的热导率分别为178.2,198.2,176.9,181.1W·m-1·K-1;分析认为,碳化硅陶瓷的热导率与添加剂的化学组成有很大关系,以 Y2O3-Sm2O3 为添加剂的碳化硅陶瓷的热导率最大,这是与该陶瓷中晶格氧含量最低有关。9王晓波,等:高导热碳化硅陶瓷的研究进展Y2O3-RE2O3 添加剂在制备高导热碳化硅陶瓷时可以起到净化晶界的作用,促使SiC晶粒之间紧密接触,从而获得高致密碳化硅陶瓷。研究[5,28,33]表明,分别以 Y2O3-Sm2O3 和 Y2O3-Sc2O3 为添加剂制备的碳化硅陶瓷相对密度均高达99.9%,这对于提高碳化硅陶瓷的热导率非常重要。此外,稀土元素原子的半径与硅、碳原子的半径差较大,不会固溶于SiC晶格内,造成的晶格缺陷较少,从而避免了热传导过程中的声子散射,并促进碳化硅陶瓷热导率的提高[28,31]。综上可知,Y2O3-RE2O3 复合添加剂对碳化硅陶瓷热导率的影响主要有 4 个方面:(1)Y2O3-RE2O3 与碳化硅颗粒表面SiO2 反应生成 Y-RE-Si的氧 化 物,降 低 碳 化 硅 晶 格 氧 含 量;(2)Y2O3-RE2O3 的化学组成对碳化硅陶瓷热导率影响的差异较大;(3)Y2O3-RE2O3 的加入可以提高碳化硅陶瓷的致密性,SiC晶粒之间接触更紧密;(4)稀土元素原子半径与硅、碳原子半径差较大,不会固溶于SiC晶格内造成晶格缺陷,导致声子散射,从而提高了碳化硅陶瓷的热导率。
2.3 含铝添加剂
ZHANG等[34]研究发现,当添加质量分数为0.5% AlN时,碳化硅陶瓷的室温热导率最大,随着AlN含量的继续增加,热导率急剧下降。VOLZ等[35]在碳化硅粉中添加体积分数10%的 Y2O3-Al2O3 后,制得碳化硅陶瓷的室温热导率为70W·m-1·K-1。LEE 等[36]添加质量分数 3% Y2O3-Al2O3 制备了室温热导率为97.8W·m-1·K-1的碳化硅陶瓷。利用含铝添加剂制备的碳化硅陶瓷室温热导率远低于用其他添加剂(如石墨烯、稀土金属氧化物等)的主要原因[19]在于:(1)Al2O3 比SiO2 更易与 Y2O3 发生反应,因此 Al2O3 会阻碍 Y2O3 与SiO2 的反应;(2)铝原子半径与硅原子半径相近,1个Al2O3 可以取代2个SiC分子,并在SiC晶格中引入3个氧原子并形成1个硅原子空位,氧原子、硅原子空位缺陷均会导致碳化硅陶瓷热导率的降低。
3 烧结工艺对碳化硅陶瓷热导率的影响
无压烧结工艺制备碳化硅陶瓷的工艺简单,成本适中,可制备复杂结构产品,在工业生产中应用广泛。LI等[37]以硼酸和果糖为添加剂、少量的硼和碳为烧结助剂,采用无压固相烧结工艺(最高温度2150℃,保温时间1h)制备得到碳化硅陶瓷的室温热导率为180.94W·m-1·K-1,经过1950℃×4h退火处理后,热导率提高至 190.17 W·m-1·K-1。SEO 等[38]以 Al2O3-Y2O3-CaO-SrO 为烧结助剂,采用无压液相烧结工艺制备碳化硅陶瓷,发现当最高烧结温度为1800,1900,1950℃时,制备得到陶瓷的热导率分别为60.8,80.2,77.1W·m-1·K-1,分析认为:随着最高烧结温度从1800℃升高至1900℃,SiC晶格氧质量分数由0.366%降到0.253%,气孔率由0.8%降到0.3%,晶粒尺寸由1.0μm 增加到1.4μm,因此碳化硅陶瓷热导率由60.8 W·m-1·K-1提高至80.2W·m-1·K-1;当烧结温度继续升高至1950℃时,晶粒尺寸由1.4μm增加到1.9μm,但气孔率由0.3%变为0.5%,气孔的增多加剧了声子散射,因此碳化硅陶瓷的热导率降低。反应烧结碳化硅陶瓷的工艺具有烧结温度低、周期短、成本低、可实现近净尺寸成型等优点,广泛应用于复杂结构碳化硅产品的制备。李其松[39]采用反应烧结工艺制备碳化硅陶瓷并利用正交试验分析了碳化硅颗粒级配、碳添加量、成型压力对碳化硅陶瓷导热性能的影响,发现:碳化硅陶瓷的热导率集中在98~115W·m-1·K-1,成型压力对反应烧结碳化硅的热导率影响最大,其次是碳添加量,碳化硅颗粒级配的影响最小;最优工艺参数为平均粒径7.0μm和13.0μm碳化硅的质量比6∶4,碳质量分数20%,成型压力90MPa,1650℃保温2h,此时碳化硅陶瓷的室温热导率为124.69W·m-1·K-1。放电等离子烧结工艺具有升温速率快、加热均匀等 优 点。CHAI等[40]研 究 发 现,添 加 Al2O3-Y2O3 的质量分数为3%时,在烧结温度1750℃保温10min条件下放电等离子烧结碳化硅陶瓷的室温热导率为104 W·m-1·K-1,当保温时间延长到60min时,室温热导率降为96.2W·m-1·K-1,这是由于较长的保温时间促使添加剂在SiC晶粒之间形成连续的网络状结构,导致晶界热阻增加,从而降低了碳化硅陶瓷的热导率。热压烧结可以提高陶瓷制品的致密性和物化性能,并能够实现某些难烧结高温陶瓷材料(B4C、SiC、ZrB2 等)的致密化。ZHOU 等[30]以 Y2O3-La2O3 为添加剂,在最高温度2000℃、压力40MPa、保温2h条件下,采 用 热 压 烧 结 工 艺 制 得 室 温 热 导 率 为166W·m-1·K-1的碳化硅陶瓷,然后在氩气保护下经1900℃×4h退火后,碳化硅陶瓷的室温热导率超过 200 W·m-1·K-1。ZHAN 等[41]以 Al2O3-10王晓波,等:高导热碳化硅陶瓷的研究进展Y2O3-CaO为添加剂,先用热压烧结工艺(最高温度1750℃,压力25MPa,保温40min)制备碳化硅陶瓷,再进行1850℃×4h退火处理,碳化硅陶瓷的室温热导率由32W·m-1·K-1提高到106W·m-1·K-1。退火工艺可以促进添加剂与碳化硅表面的SiO2 发生反应,减少SiC晶格中的氧含量;处于SiC晶界的第二相汇聚到多晶交汇处,增加SiC晶粒之间的接触;退火处理可减少碳化硅内部的晶体缺陷,因此退火工艺有助于提高碳化硅陶瓷的导热性能[19,37]。烧结气氛对碳化硅室温热导率也有一定影响。CHO 等[32]以 Y2O3-Gd2O3 为添加剂,在最高温度2000℃、压力40MPa、保温6h的相同烧结条件下,在氮气气氛下热压烧结的碳化硅陶瓷晶格氧含量比在氩气气氛下的降低了10.6%,室温热导率提高了15.1%。以 Y2O3-RE2O3(RE=Sm,Gd,Lu,La,Sc)为添加剂,在氮气气氛下采用热压烧结工艺制备碳化硅陶瓷时,氮原子会溶入到SiC晶粒间的玻璃相中形成 Y-RE-Si-OCN化合物;为了保持整体的电中性,玻璃相中氮含量的增多必会造成氧含量的降低,并导致SiC晶格氧含量的降低,因此碳化硅陶瓷的热导率提高[28]。综上可知:烧结方式对碳化硅陶瓷热导率的影响较小;适合的烧结温度和保温时间可以制备热导率较高的碳化硅陶瓷;在烧结过程中采用氮气保护并对烧结后的陶瓷进行退火处理,有助于提高碳化硅陶瓷的热导率。
4 结束语
随着科学技术的不断发展,碳化硅陶瓷在半导体领域的应用需求量急剧增长,而高热导率是其应用于半导体制造设备元器件的关键指标,因此加强高导热碳化硅陶瓷的研究至关重要。减少晶格氧含量、提高致密性、合理调控第二相在晶格中的分布方式是提高碳化硅陶瓷热导率的主要方法。目前,我国有关高导热碳化硅陶瓷的研究较少,且与世界水平相比尚存在较大差距,今后的研究方向包括:一是加强碳化硅陶瓷粉体的制备工艺研究,高纯、低氧碳化硅粉的制备是实现高热导率碳化硅陶瓷制备的基础;二是加强烧结助剂的选择及其相关理论研究;三是加强高端烧结装备的研发,通过调控烧结工艺得到合理的显微结构是获得高热导率碳化硅陶瓷的必备条件。
来源:材料与测试网
