En el campo de los materiales cerámicos avanzados, el nitruro de silicio (Si3N4) ha atraído mucha atención por su excelente resistencia mecánica, estabilidad química y propiedades a altas temperaturas. Sin embargo, la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio, como uno de los factores clave que afectan su amplia aplicación, ha sido un tema importante en la investigación en ciencia de materiales. Este artículo tiene como objetivo investigar el mecanismo de transferencia de calor de las cerámicas de nitruro de silicio, especialmente la vibración de la red y el fenómeno de dispersión durante la conducción de fonones, y centrarse en el papel único de los aditivos de carbono en el proceso de sinterización del nitruro de silicio y el mecanismo para mejorar la conductividad térmica. A través del análisis exhaustivo de datos experimentales y modelos teóricos, este artículo tiene como objetivo proporcionar nuevas ideas y estrategias para la preparación de sustrato de nitruro de silicio con alta conductividad térmica.
Recomprensión del mecanismo de transferencia de calor
Como material cerámico unido covalentemente, el mecanismo de transferencia de calor del nitruro de silicio depende principalmente de la vibración de la red y la conducción de fonones. La propagación no lineal y la colisión entre fonones en la red no solo están restringidas por la propia estructura de la red, sino que también están influenciadas por las características de la microestructura, como defectos internos, impurezas y límites de grano. En particular, el oxígeno reticular es la principal fuente de dispersión y su contenido está directamente relacionado con el camino libre medio de los fonones, lo que afecta la conductividad térmica del nitruro de silicio. Por lo tanto, reducir el contenido de oxígeno de la red se convierte en una de las formas clave de mejorar la conductividad térmica del nitruro de silicio.
Discusión sobre la introducción y el mecanismo de los aditivos de carbono
En los últimos años, la investigación del carbono como aditivo de sinterización para cerámicas sin óxido ha atraído una gran atención. En el sistema de nitruro de silicio, el carbono se introduce no solo para eliminar las impurezas de óxido en la superficie del polvo de óxido, sino que, lo que es más importante, puede desempeñar un papel reductor significativo en el proceso de nitruración y post-sinterización. Específicamente, el carbono puede reducir la presión parcial de SiO y promover la reducción de impurezas que contienen oxígeno como el SiO2, reduciendo así el contenido de oxígeno de la red. Este proceso no sólo purificó el entorno de la red, sino que también promovió el crecimiento de granos de nitruro de silicio y la optimización de la estructura.
Efecto de los aditivos de carbono sobre la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio
Los resultados experimentales muestran que la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio se puede mejorar significativamente agregando la cantidad adecuada de carbono. Específicamente, la reducción de carbono aumenta la relación atómica secundaria N/O entre los granos de nitruro de silicio, formando una microestructura bimodal propicia para la conducción de calor. Esta característica estructural se caracteriza por la coexistencia de granos grandes y granos alargados, que proporcionan canales de conducción de calor eficientes, mientras que los granos alargados ayudan a reducir la dispersión de fonones y mejoran conjuntamente la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio.
Además, el uso de aditivos de carbono también reduce los estrictos requisitos en cuanto al contenido de oxígeno de las materias primas y la selección de aditivos de sinterización. Tradicionalmente, para obtener cerámicas de nitruro de silicio de alta conductividad térmica, a menudo es necesario elegir materia prima en polvo con bajo contenido de oxígeno y aditivos de sinterización de alto rendimiento, lo que sin duda aumenta el costo de preparación. La introducción de aditivos de carbono alivia este problema hasta cierto punto, de modo que se pueden preparar cerámicas de nitruro de silicio con excelente conductividad térmica en una gama más amplia de materias primas y aditivos.
Perspectiva de aplicación industrial
Con el progreso continuo de la tecnología y la optimización continua de los costos, se espera que el método de sinterización asistida por aditivos de carbono para preparar cerámicas de nitruro de silicio de alta conductividad térmica se utilice ampliamente en la producción industrial. Este método no solo mejora la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio, sino que también reduce el costo de preparación, proporcionando una solución más económica y eficiente para los campos de conversión de energía, aeroespacial y de embalaje electrónico de alto rendimiento. En el futuro, esperamos seguir promoviendo la aplicación innovadora y el desarrollo de materiales de sustrato de nitruro de silicio en más campos a través de una investigación más profunda y la optimización de procesos.
En resumen, la sinterización asistida por adición de carbono, como tecnología de preparación innovadora para cerámicas de nitruro de silicio, optimiza la microestructura del material a través de su efecto de reducción único y mejora significativamente la conductividad térmica de las cerámicas de nitruro de silicio. Este descubrimiento no solo abre una nueva vía para la preparación de cerámicas de nitruro de silicio de alto rendimiento, sino que también proporciona una solución más económica y eficiente para el desarrollo de envases electrónicos, aeroespaciales y de conversión de energía. Con la continua profundización de la investigación y el continuo progreso de la tecnología, tenemos razones para creer que las cerámicas de nitruro de silicio mostrarán su encanto único y sus amplias perspectivas de aplicación en más campos. Al mismo tiempo, esto también nos alentará a continuar explorando nuevas tecnologías de preparación de materiales y promover el progreso y el desarrollo de la ciencia de los materiales.
