ما هي المواد الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية؟

تلعب الموصلية الحرارية للمواد الخزفية دورًا مهمًا في تطبيقها. في نطاق معين، ستؤدي زيادة الموصلية الحرارية للمواد الخزفية بطرق محددة إلى تحسين قدرتها على التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري، وذلك لتوسيع مجال تطبيقها. تتكون المواد الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية بشكل رئيسي من الأكاسيد والنتريدات والكربيدات والبوريدات، مثل سيراميك الماس متعدد الكريستالات ونتريد الألومنيوم وأكسيد البريليوم ونتريد السيليكون وكربيد السيليكون.

الماس متعدد الكريستالات (PCD)

يتميز الماس بتوصيل حراري قوي. وتبلغ القيمة النظرية للتوصيل الحراري لبلورته المفردة 1642 واط/م-ك عند درجة حرارة الغرفة، والقيمة المقاسة هي 2000 واط/م-ك. ومع ذلك، من الصعب تحضير البلورة المفردة الكبيرة من الماس الأحادي البلورة وباهظة الثمن. وفي عملية تلبيد الماس متعدد الكريستالات متعدد البلورات، غالباً ما تُضاف مواد مساعد التلبيد لتعزيز الترابط بين مساحيق الماس للحصول على سيراميك متعدد الكريستالات متعدد الكريستالات عالي التوصيل الحراري. ومع ذلك، فإن مساعد التلبيد يمكن أن يحفز كربنة مسحوق الماس في عملية التلبيد بدرجة حرارة عالية، بحيث لا يعود الماس متعدد الكريستالات معزولاً. وغالباً ما تضاف البلورة المفردة الصغيرة من الماس إلى السيراميك الموصّل للحرارة كمادة تقوية لتحسين التوصيل الحراري للسيراميك.

ويُعد سيراميك الماس متعدد الكريستالات مواد هندسية ومواد وظيفية جديدة. في الوقت الحاضر، تم استخدام سيراميك الماس متعدد الكريستالات على نطاق واسع في مجالات الصناعة الحديثة والدفاع الوطني والتكنولوجيا العالية والجديدة بسبب خصائصه الميكانيكية والحرارية والكيميائية والصوتية والبصرية والكهربائية الممتازة.

كربيد السيليكون

في الوقت الحاضر، كربيد السيليكون (SiC ) هو مادة سيراميك موصلة للحرارة نشطة في الداخل والخارج. الموصلية الحرارية النظرية لكربيد السيليكون عالية جدًا، حيث تصل إلى 270 واط/م-ك. ومع ذلك، نظرًا لأن نسبة الطاقة السطحية إلى الطاقة البينية لمواد سيراميك كربيد السيليكون منخفضة، أي أن طاقة حدود الحبيبات عالية، فمن الصعب إنتاج سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء والكثافة بطرق التلبيد التقليدية. يجب إضافة إيدز التلبيد عند استخدام طرق التلبيد التقليدية، ويجب أن تكون درجة حرارة التلبيد أعلى من 2050 ℃. ومع ذلك ، فإن حالة التلبيد هذه ستؤدي إلى نمو حبيبات SiC وتقلل بشكل كبير من الخواص الميكانيكية لسيراميك SiC.

وقد تم استخدام سيراميك كربيد السيليكون على نطاق واسع في المحامل ذات درجة الحرارة العالية، والألواح المضادة للرصاص، والفوهات، والأجزاء المقاومة للتآكل في درجات الحرارة العالية ودرجات الحرارة العالية والتردد العالي لأجزاء المعدات الإلكترونية وغيرها من المجالات.

نيتريد السيليكون

حظيسيراميك نيتريد السيليكون (Si3N4) باهتمام متزايد من قبل الباحثين في الداخل والخارج لخصائصه الممتازة مثل الصلابة العالية، ومقاومة الصدمات الحرارية القوية، والعزل الجيد، ومقاومة التآكل، وعدم السمية. تتشابه قوة الترابط ومتوسط الكتلة الذرية والاهتزازات غير المتناسقة لسيراميك نيتريد السيليكون مع تلك الخاصة بـ SiC. وتبلغ الموصلية الحرارية النظرية لبلورات نيتريد السيليكون 200 ~ 320 واط/م-ك. ومع ذلك، نظرًا لأن هيكل Si3N4 أكثر تعقيدًا من هيكل نيتريد الألومنيوم (AlN)، وتشتت الفونونات أكبر، فإن الموصلية الحرارية لسيراميك Si3N4 الملبد أقل بكثير من تلك الخاصة بالبلورة المفردة Si3N4 في الدراسة الحالية، مما يحد أيضًا من ترقيتها وتطبيقها على نطاق واسع.

أكسيد البريليوم

ينتميأوكسيد البريليوم ( BeO) إلى بنية Wurtzite سداسية الشكل، مع وجود مسافة صغيرة بين ذرات Be وذرات O، ومتوسط كتلة ذرية صغيرة وتراكم ذري كثيف، وهو ما يتوافق مع شروط نموذج Slack مع

الموصلية الحرارية العالية للبلورة المفردة. في عام 1971، اختبر Slack وAuaterrman التوصيلية الحرارية لسيراميك BeO وبلورة BeO المفردة الكبيرة وحساب أن التوصيلية الحرارية لبلورة BeO المفردة الكبيرة يمكن أن تصل إلى 370 واط/م-ك. في الوقت الحاضر، يمكن أن تصل الموصلية الحرارية لسيراميك BeO المحضر إلى 280 واط/كلفن وهي أعلى 10 مرات من سيراميك أكسيد الألومنيوم (Al2O3).

يُستخدم أكسيد البريليوم على نطاق واسع في صناعة الطيران، والطاقة النووية، والهندسة المعدنية، وصناعة الإلكترونيات، وصناعة الصواريخ وما إلى ذلك. ويستخدم أكسيد البيريليوم على نطاق واسع كأجزاء حاملة وتجميعات في دوائر تحويل إلكترونيات الطيران وفي الطائرات وأنظمة الاتصالات الساتلية؛ ويتميز سيراميك أكسيد البيريليوم بمقاومة عالية للصدمات الحرارية بشكل خاص ويمكن استخدامه في أنابيب النار في الطائرات النفاثة؛ وقد استخدمت لوحة أكسيد البيريليوم المغلفة بالمعدن في نظام التحكم في جهاز قيادة الطائرات؛ وتستخدم فورد وجنرال موتورز بطانات أكسيد البيريليوم المرشوشة بالمعدن في أنظمة إشعال السيارات؛ ويتمتع أكسيد البيريليوم بتوصيل حراري جيد ويسهل تصغيره، لذلك فإن له آفاق تطبيق واسعة في مجال الليزر. على سبيل المثال، يتميز ليزر BeO بكفاءة أعلى وطاقة خرج أكبر من ليزر الكوارتز.

نيتريد الألومنيوم (AlN)

سيراميك نيتريد الألومنيوم هو أكثر المواد عالية التوصيل الحراري استخداماً على نطاق واسع. يمكن أن تصل الموصلية الحرارية النظرية لبلورة نيتريد الألومنيوم المفردة إلى 3200 واط/م-ك. ومع ذلك، وبسبب الشوائب والعيوب التي لا مفر منها في عملية التلبيد، تنتج هذه الشوائب عيوبًا مختلفة في شبكة AlN، مما يقلل من متوسط حرية الفونونات وبالتالي يقلل بشكل كبير من التوصيل الحراري. وبالإضافة إلى تأثير عيوب شبكة AlN على التوصيل الحراري، فإن حجم الحبيبات والتشكل ومحتوى وتوزيع المرحلة الثانية من حدود الحبيبات لها أيضًا تأثيرات مهمة على التوصيل الحراري لسيراميك AlN. فكلما زاد حجم الحبيبات زاد متوسط حرية الفونونات وزادت الموصلية الحرارية لسيراميك AlN الملبد.

وباعتباره مركبًا تساهميًا نموذجيًا، فإن نيتريد الألومنيوم له نقطة انصهار عالية، ومعامل انتشار ذاتي ذري منخفض، وطاقة حدية عالية للحبيبات أثناء التلبيد. لذلك، من الصعب إنتاج سيراميك AlN عالي النقاء بطرق التلبيد التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا أن تتفاعل إضافة المواد المضادة للحرق المناسبة مع الأكسجين في الشبكة لتشكيل مرحلة ثانية، وتنقية شبكة AlN وتحسين التوصيل الحراري.

مساعدات التلبيد الشائعة لسيراميك AlN هي أكسيد الإيتريوم ( Y2O3)، وكربونات الكالسيوم (CaCO3)، وفلوريد الكالسيوم (CaF2)، وفلوريد الإيتربيوم (YF3)، إلخ. في الوقت الحاضر، تمت دراسة سيراميك AlN ذو الموصلية الحرارية العالية على نطاق واسع بإضافة مواد التلبيد المناسبة في الداخل والخارج، وتم تحضير سيراميك AlN ذو الموصلية الحرارية العالية التي تصل إلى حوالي 200 واط/م-ك. ومع ذلك، فإن تكلفة إنتاج سيراميك AlN مرتفعة بسبب وقت التلبيد الطويل ودرجة حرارة التلبيد العالية وسعر مسحوق AlN عالي الجودة.