Dans le domaine des matériaux céramiques avancés, le nitrure de silicium (Si3N4) a beaucoup attiré l'attention pour son excellente résistance mécanique, sa stabilité chimique et ses propriétés à haute température. Cependant, la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium, l’un des facteurs clés affectant leur large application, constitue un sujet important dans la recherche en science des matériaux. Cet article vise à étudier le mécanisme de transfert de chaleur des céramiques de nitrure de silicium, en particulier les phénomènes de vibration et de diffusion du réseau lors de la conduction des phonons, et à se concentrer sur le rôle unique des additifs carbonés dans le processus de frittage du nitrure de silicium et sur le mécanisme d'amélioration de la conductivité thermique. Grâce à l'analyse complète des données expérimentales et des modèles théoriques, cet article vise à fournir de nouvelles idées et stratégies pour la préparation de substrat en nitrure de silicium à haute conductivité thermique.
Compréhension du mécanisme de transfert de chaleur
En tant que matériau céramique lié par covalence typique, le mécanisme de transfert de chaleur du nitrure de silicium dépend principalement de la vibration du réseau et de la conduction des phonons. La propagation non linéaire et les collisions entre les phonons dans le réseau ne sont pas seulement limitées par la structure du réseau elle-même, mais également influencées par les caractéristiques de la microstructure telles que les défauts internes, les impuretés et les joints de grains. En particulier, l’oxygène du réseau est la principale source de diffusion et sa teneur est directement liée au libre parcours moyen des phonons, qui affecte la conductivité thermique du nitrure de silicium. Par conséquent, la réduction de la teneur en oxygène du réseau devient l’un des principaux moyens d’améliorer la conductivité thermique du nitrure de silicium.
Discussion sur l'introduction et le mécanisme des additifs carbonés
Ces dernières années, la recherche sur le carbone comme additif de frittage pour les céramiques non oxydées a attiré une attention considérable. Dans le système de nitrure de silicium, le carbone est introduit non seulement pour éliminer les impuretés d'oxyde à la surface de la poudre d'oxyde, mais plus important encore, il peut jouer un rôle de réduction significatif dans le processus de nitruration et de post-frittage. Plus précisément, le carbone peut réduire la pression partielle de SiO et favoriser la réduction des impuretés contenant de l'oxygène telles que SiO2, réduisant ainsi la teneur en oxygène du réseau. Ce processus a non seulement purifié l'environnement du réseau, mais a également favorisé la croissance des grains de nitrure de silicium et l'optimisation de la structure.
Effet des additifs carbonés sur la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium
Les résultats expérimentaux montrent que la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium peut être considérablement améliorée en ajoutant une quantité appropriée de carbone. Plus précisément, la réduction du carbone augmente le rapport atomique secondaire N/O entre les grains de nitrure de silicium, formant une microstructure bimodale propice à la conduction thermique. Cette caractéristique structurelle se caractérise par la coexistence de gros grains et de grains allongés, qui fournissent des canaux de conduction thermique efficaces, tandis que les grains allongés aident à réduire la diffusion des phonons et améliorent conjointement la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium.
De plus, l'utilisation d'additifs carbonés réduit également les exigences strictes concernant la teneur en oxygène des matières premières et la sélection des additifs de frittage. Traditionnellement, afin d'obtenir des céramiques de nitrure de silicium à haute conductivité thermique, il est souvent nécessaire de choisir une matière première en poudre à faible teneur en oxygène et des additifs de frittage haute performance, ce qui augmente sans aucun doute le coût de préparation. L'introduction d'additifs carbonés atténue ce problème dans une certaine mesure, de sorte que des céramiques de nitrure de silicium présentant une excellente conductivité thermique peuvent être préparées dans une gamme plus large de matières premières et d'additifs.
Perspective d'application industrielle
Avec les progrès continus de la technologie et l’optimisation continue des coûts, la méthode de frittage assisté par additif de carbone pour préparer des céramiques de nitrure de silicium à haute conductivité thermique devrait être largement utilisée dans la production industrielle. Cette méthode améliore non seulement la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium, mais réduit également le coût de préparation, offrant ainsi une solution plus économique et plus efficace pour les domaines de l'emballage électronique haute performance, de l'aérospatiale et de la conversion d'énergie. À l'avenir, nous sommes impatients de promouvoir davantage l'application et le développement innovants de matériaux de substrat en nitrure de silicium dans davantage de domaines grâce à une recherche plus approfondie et à une optimisation des processus.
En résumé, le frittage assisté par addition de carbone, en tant que technologie de préparation innovante pour les céramiques de nitrure de silicium, optimise la microstructure du matériau grâce à son effet de réduction unique et améliore considérablement la conductivité thermique des céramiques de nitrure de silicium. Cette découverte ouvre non seulement une nouvelle voie pour la préparation de céramiques de nitrure de silicium haute performance, mais fournit également une solution plus économique et plus efficace pour le développement de l'emballage électronique, de l'aérospatiale et de la conversion d'énergie. Avec l'approfondissement continu de la recherche et les progrès continus de la technologie, nous avons des raisons de croire que la céramique de nitrure de silicium montrera son charme unique et ses vastes perspectives d'application dans davantage de domaines. Dans le même temps, cela nous encouragera également à continuer d’explorer de nouvelles technologies de préparation des matériaux et à promouvoir le progrès et le développement de la science des matériaux.
