Quels sont les matériaux céramiques à haute conductivité thermique ?
La conductivité thermique des matériaux céramiques joue un rôle important dans leur application. Dans une certaine mesure, l'augmentation de la conductivité thermique des matériaux céramiques par des méthodes spécifiques améliorera leur capacité de conduction, de convection et de rayonnement de la chaleur, ce qui permettra d'élargir leur champ d'application. Les matériaux céramiques à haute conductivité thermique sont principalement composés d'oxydes, de nitrures, de carbures et de borures, tels que le diamant polycristallin, le nitrure d'aluminium, l'oxyde de béryllium, le nitrure de silicium et le carbure de silicium.
Diamant polycristallin (PCD)
Le diamant possède une forte conductivité thermique. La valeur théorique de la conductivité thermique de son cristal unique est de 1642W/m-K à température ambiante, et la valeur mesurée est de 2000W/m-K. Cependant, le diamant monocristallin de grande taille est difficile à préparer et coûteux. Dans le processus de frittage du diamant polycristallin, des adjuvants de frittage sont souvent ajoutés pour favoriser la liaison entre les poudres de diamant afin d'obtenir des céramiques PCD à haute conductivité thermique. Toutefois, l'assistant de frittage peut catalyser la carbonisation de la poudre de diamant dans le processus de frittage à haute température, de sorte que le diamant polycristallin n'est plus isolé. Le petit cristal unique de diamant est souvent ajouté aux céramiques à conductivité thermique en tant que matériau de renforcement afin d'améliorer la conductivité thermique des céramiques.
Les céramiques de diamant polycristallin sont à la fois des matériaux d'ingénierie et de nouveaux matériaux fonctionnels. Actuellement, les céramiques de diamant polycristallin sont largement utilisées dans les domaines de l'industrie moderne, de la défense nationale et des hautes et nouvelles technologies en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, thermiques, chimiques, acoustiques, optiques et électriques.
Carbure de silicium
Actuellement, le carbure de sil icium (SiC) est un matériau céramique conducteur de chaleur très actif au niveau national et international. La conductivité thermique théorique du carbure de silicium est très élevée, atteignant 270 W/m-K. Cependant, comme le rapport entre l'énergie de surface et l'énergie interfaciale des matériaux céramiques SiC est faible, c'est-à-dire que l'énergie des joints de grains est élevée, il est difficile de produire des céramiques SiC denses et de grande pureté par des méthodes de frittage conventionnelles. Il faut ajouter des sels de frittage lorsque des méthodes de frittage conventionnelles sont utilisées, et la température de frittage doit être supérieure à 2050 ℃. Toutefois, cette condition de frittage entraîne la croissance de grains de SiC et réduit considérablement les propriétés mécaniques des céramiques de SiC.
Les céramiques de carbure de silicium ont été largement utilisées dans les roulements à haute température, les plaques pare-balles, les buses, les pièces résistantes à la corrosion à haute température et les pièces d'équipement électronique à haute température et à haute fréquence, ainsi que dans d'autres domaines.
Nitrure de silicium
Les céramiques à base de nitrurede silicium (Si3N4) font l'objet d'une attention croissante de la part des chercheurs nationaux et étrangers en raison de leurs excellentes propriétés, telles qu'une grande ténacité, une forte résistance aux chocs thermiques, une bonne isolation, une résistance à la corrosion et l'absence de toxicité. La force de liaison, la masse atomique moyenne et la vibration anharmonique des céramiques de nitrure de silicium sont similaires à celles du SiC. La conductivité thermique théorique des cristaux de nitrure de silicium est de 200 ~ 320 W/m-K. Cependant, comme la structure de Si3N4 est plus complexe que celle du nitrure d'aluminium (AlN) et que la diffusion des phonons est plus importante, la conductivité thermique des céramiques frittées de Si3N4 est bien inférieure à celle du monocristal de Si3N4 dans la présente étude, ce qui limite également sa promotion et son application à grande échelle.
Oxyde de béryllium
L'oxyde de béryllium (BeO) appartient à la structure hexagonale wurtzite, avec une faible distance entre les atomes de Be et les atomes d'O, une faible masse atomique moyenne et une accumulation atomique dense, ce qui est conforme aux conditions du modèle de Slack et à la conductivité thermique élevée du monocristal.
conductivité thermique élevée du monocristal. En 1971, Slack et Auaterrman ont testé la conductivité thermique des céramiques de BeO et du grand monocristal de BeO et ont calculé que la conductivité thermique du grand monocristal de BeO pouvait atteindre 370 W/m-K. Actuellement, la conductivité thermique des céramiques de BeO préparées peut atteindre 280 W/m-K, ce qui est 10 fois plus élevé que celle des céramiques d'oxyde d'aluminium (Al2O3).
L'oxyde de béryllium est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'énergie nucléaire, l'ingénierie métallurgique, l'industrie électronique, la fabrication de fusées, etc. Le BeO est largement utilisé comme pièces porteuses et assemblages dans les circuits de conversion avionique et dans les systèmes de communication par avion et par satellite ; les céramiques de BeO ont une résistance aux chocs thermiques particulièrement élevée et peuvent être utilisées dans le tuyau d'incendie des avions à réaction ; la plaque de BeO revêtue de métal a été utilisée dans le système de commande du dispositif d'entraînement de l'avion ; Ford et General Motors utilisent des revêtements en oxyde de béryllium pulvérisés de métal dans les systèmes d'allumage des voitures ; le BeO a une bonne conductivité thermique et est facile à miniaturiser, de sorte qu'il a de vastes perspectives d'application dans le domaine des lasers. Par exemple, le laser BeO a un rendement plus élevé et une puissance de sortie plus importante que le laser à quartz.
Nitrure d'aluminium (AlN)
Lescéramiques de nitrure d'aluminium sont les matériaux à haute conductivité thermique les plus utilisés. La conductivité thermique théorique d'un monocristal de nitrure d'aluminium peut atteindre 3200W/m-K. Toutefois, en raison des impuretés et des défauts inévitables dans le processus de frittage, ces impuretés produisent divers défauts dans le réseau AlN, qui réduisent la liberté moyenne des phonons et, par conséquent, réduisent considérablement leur conductivité thermique. Outre l'effet des défauts du réseau d'AlN sur la conductivité thermique, la taille des grains, la morphologie ainsi que la teneur et la distribution de la seconde phase du joint de grain ont également des effets importants sur la conductivité thermique des céramiques d'AlN. Plus la taille des grains est importante, plus la liberté moyenne des phonons est grande et plus la conductivité thermique des céramiques d'AlN frittées est élevée.
En tant que complexe covalent typique, le nitrure d'aluminium a un point de fusion élevé, un faible coefficient d'autodiffusion atomique et une énergie de limite de grain élevée pendant le frittage. Il est donc difficile de produire des céramiques d'AlN de grande pureté par des méthodes de frittage conventionnelles. En outre, l'ajout de sels de combustion appropriés peut également réagir avec l'oxygène dans le réseau pour former une seconde phase, purifier le réseau AlN et améliorer la conductivité thermique.
Les adjuvants de frittage courants pour les céramiques AlN sont l'oxyde d'yttrium (Y2O3), le carbonate de calcium (CaCO3), le fluorure de calcium (CaF2), le fluorure d'ytterbium (YF3), etc. À l'heure actuelle, les céramiques d'AlN à conductivité thermique élevée ont fait l'objet d'études approfondies en ajoutant des agents de frittage appropriés dans le pays et à l'étranger, et des céramiques d'AlN à conductivité thermique élevée pouvant atteindre environ 200 W/m-K ont été préparées. Toutefois, le coût de production des céramiques AlN est élevé en raison du temps de frittage long, de la température de frittage élevée et du prix de la poudre AlN de haute qualité.
