No campo de materiais cerâmicos avançados, o nitreto de silício (Si3N4) tem atraído muita atenção por sua excelente resistência mecânica, estabilidade química e propriedades de alta temperatura. No entanto, a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício, como um dos principais factores que afectam a sua ampla aplicação, tem sido um tema importante na investigação da ciência dos materiais. Este artigo tem como objetivo investigar o mecanismo de transferência de calor da cerâmica de nitreto de silício, especialmente a vibração da rede e o fenômeno de espalhamento durante a condução do fônon, e focar no papel único dos aditivos de carbono no processo de sinterização do nitreto de silício e no mecanismo de melhoria da condutividade térmica. Através da análise abrangente de dados experimentais e modelos teóricos, este artigo visa fornecer novas ideias e estratégias para a preparação de substrato de nitreto de silício com alta condutividade térmica.
Recompreensão do mecanismo de transferência de calor
Como um material cerâmico com ligação covalente típico, o mecanismo de transferência de calor do nitreto de silício depende principalmente da vibração da rede e da condução do fônon. A propagação não linear e a colisão entre fônons na rede não são apenas restringidas pela própria estrutura da rede, mas também influenciadas pelas características da microestrutura, como defeitos internos, impurezas e limites de grão. Em particular, o oxigênio da rede é a principal fonte de espalhamento, e seu conteúdo está diretamente relacionado ao caminho livre médio dos fônons, o que afeta a condutividade térmica do nitreto de silício. Portanto, reduzir o teor de oxigênio na rede torna-se uma das principais formas de melhorar a condutividade térmica do nitreto de silício.
Discussão sobre a introdução e mecanismo de aditivos de carbono
Nos últimos anos, a pesquisa do carbono como aditivo de sinterização para cerâmicas não-óxidos tem atraído muita atenção. No sistema de nitreto de silício, o carbono é introduzido não apenas para remover as impurezas de óxido na superfície do pó de óxido, mas, mais importante, pode desempenhar um papel de redução significativo no processo de nitretação e pós-sinterização. Especificamente, o carbono pode reduzir a pressão parcial do SiO e promover a redução de impurezas contendo oxigênio, como o SiO2, reduzindo assim o conteúdo de oxigênio na rede. Este processo não apenas purificou o ambiente da rede, mas também promoveu o crescimento de grãos de nitreto de silício e a otimização da estrutura.
Efeito dos aditivos de carbono na condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício
Os resultados experimentais mostram que a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício pode ser significativamente melhorada com a adição de uma quantidade adequada de carbono. Especificamente, a redução do carbono aumenta a razão atômica N/O secundária entre os grãos de nitreto de silício, formando uma microestrutura bimodal propícia à condução de calor. Esta característica estrutural é caracterizada pela coexistência de grãos grandes e grãos alongados, que fornecem canais de condução de calor eficientes, enquanto os grãos alongados ajudam a reduzir a dispersão de fônons e, em conjunto, melhoram a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício.
Além disso, o uso de aditivos de carbono também reduz os requisitos rigorosos quanto ao teor de oxigênio das matérias-primas e à seleção de aditivos de sinterização. Tradicionalmente, para obter cerâmicas de nitreto de silício de alta condutividade térmica, muitas vezes é necessário escolher matéria-prima em pó com baixo teor de oxigênio e aditivos de sinterização de alto desempenho, o que sem dúvida aumenta o custo de preparação. A introdução de aditivos de carbono alivia este problema até certo ponto, de modo que cerâmicas de nitreto de silício com excelente condutividade térmica podem ser preparadas em uma gama mais ampla de matérias-primas e aditivos.
Perspectiva de aplicação industrial
Com o progresso contínuo da tecnologia e a otimização contínua dos custos, espera-se que o método de sinterização assistida por aditivos de carbono para preparar cerâmicas de nitreto de silício de alta condutividade térmica seja amplamente utilizado na produção industrial. Este método não apenas melhora a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício, mas também reduz o custo de preparação, fornecendo uma solução mais econômica e eficiente para embalagens eletrônicas de alto desempenho, aeroespacial e campos de conversão de energia. No futuro, esperamos promover ainda mais a aplicação e o desenvolvimento inovadores de materiais de substrato de nitreto de silício em mais campos através de pesquisas mais aprofundadas e otimização de processos.
Em resumo, a sinterização assistida por adição de carbono, como uma tecnologia inovadora de preparação para cerâmicas de nitreto de silício, otimiza a microestrutura do material através do seu efeito de redução único e melhora significativamente a condutividade térmica da cerâmica de nitreto de silício. Esta descoberta não só abre um novo caminho para a preparação de cerâmicas de nitreto de silício de alto desempenho, mas também fornece uma solução mais econômica e eficiente para o desenvolvimento de embalagens eletrônicas, aeroespaciais e conversão de energia. Com o aprofundamento contínuo da pesquisa e o progresso contínuo da tecnologia, temos motivos para acreditar que a cerâmica de nitreto de silício mostrará seu charme único e amplas perspectivas de aplicação em mais campos. Ao mesmo tempo, isso também nos encorajará a continuar a explorar novas tecnologias de preparação de materiais e a promover o progresso e o desenvolvimento da ciência dos materiais.
