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
0引言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30~270W•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(4.40×103~5.78×103W•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