冬天，當我們躺在暖暖的被窩里，會覺得不那么冷了；而起床時，要穿上厚厚的棉拖，否則，冰涼的瓷磚，會傳來刺骨的冷。為什么棉被和瓷磚會帶給我們如此不同的感受呢？這一切都是由于材料的一個重要的物理參量-熱導率，其對材料的研究有著重要意義。

以陶瓷材料為例，其導熱性能，與其化學組成、組織結構、密度、燒結工藝等因素有關。在一定范圍內，通過特定方法增加陶瓷材料的導熱系數，將會提高其熱傳導、熱對流、熱輻射的能力，制備得到具有對熱能強吸收、高存儲、強散熱及高導熱系數的陶瓷材料，進一步拓展陶瓷材料的應用領域。下文中，小編簡要介紹陶瓷材料熱導率的影響因素及提高熱導率方法。

一、陶瓷材料熱導率影響因素

1、化學組成

普通陶瓷的導熱系數是（0.02～1.5）W/（m·K）。在實際應用中，低的導熱系數陶瓷材料遠不能滿足節能、高效及特殊性能的需求。組分摻雜是提高陶瓷材料導熱系數的一種重要方法。這種方法按摻雜組分性質的不同可以分為兩種：添加非金屬材料或者添加金屬材料。

圖1  氮化鋁陶瓷基板材料

在電子封裝材料應用領域，通過氮化鋁陶瓷復合粉體制備氮化鋁（AlN）為主的特種陶瓷，導熱系數達到210W/(m.k)，是氧化鋁陶瓷導熱效率的5-8倍，能耐2200℃以上的高溫。具有熱導率高、機械性能穩定強和優秀的電氣絕緣性能，具有極高的絕緣電阻和低的介質損耗，是新一代大規模集成電路以及功率電子產品的理想導熱陶瓷材料。

2、原料粉體顆粒尺寸

原料粉體的粒度、純度、物相會對陶瓷材料的熱導率、力學性能產生重要影響。當顆粒尺寸越大時，陶瓷的致密化過程延遲會越明顯，在陶瓷的制備過程中，陶瓷內部不可避免地會出現氣孔，一般氣孔越多，材料的熱傳導性能相應會提高。

當陶瓷粉體顆粒尺寸下降至納米級別時，其導熱系數將隨之降低。納米微粒的表面效應和小尺寸效應改變了材料本身的性質。晶粒尺寸減小、分布變窄，晶界與氣孔的分離區減小以及燒結溫度的降低使得燒結過程中不易出現晶粒的異常生長，陶瓷體晶粒分布均勻。因此，當粉體顆粒尺寸較小時，陶瓷的導熱系數將隨著顆粒尺寸下降而減小。在實際生產時，適當控制原料粉體顆粒尺寸，能夠改善陶瓷材料的熱傳性能。

圖2  熱導率測試儀器（美國Anter（TA）FL4010）

3、氣孔

在氣孔率相同的條件下，氣孔尺寸越大，導熱系數越大。互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導熱系數高。封閉氣孔率越高，則導熱系數越低。產生這種現象的原因是：氣孔的尺寸越大，氣孔內氣體對流和孔壁之間的輻射傳熱就會越大。這與材料的密度對導熱系數的影響剛好相反。雖然如此，統籌兩種方法的效果后，可以同時采取兩種措施來改進材料的導熱系數。在對多孔陶瓷的研究中，人們還得出：當氣孔尺寸小于4μm時，材料內部的對流傳熱可以忽略。

此外，在多孔陶瓷中，對流、輻射、熱傳導等熱量傳遞方式都存在。因此，在對陶瓷的導熱系數進行分析時，應綜合考慮氣孔的孔徑大小、分布情況和連通方式。

4、組織結構

陶瓷材料內部組織結構是影響其導熱系數的重要因素。內部組織結構對陶瓷導熱系數的影響主要是由材料的聲子導熱機理決定的。為了增加材料的導熱性，可以向材料內部引入一些能夠提高其導熱性的物料?？紤]到這些材料在陶瓷制備過程中可能與原有物質發生一系列物理化學反應而對陶瓷內部結構產生影響，以及由于這些物料的加入有可能引起的陶瓷內部缺陷的出現。因此，對添加其它相的陶瓷的結構變化進行討論是十分必要的。陶瓷的導熱系數在很大程度上取決于填充劑的導熱性能以及其在陶瓷制備過程中形成的內部結構。

例如，在多孔陶瓷中，沿氣孔表面分布的雜質，如雜質原子、晶格缺陷等，會隨著陶瓷內部熱量的釋放，從氣孔的熱端遷移到冷端，并且在氣孔表面析出。這個過程將對陶瓷材料的熱吸收過程產生重大影響，從而進一步影響材料的熱傳遞性能。

圖3  多孔陶瓷SEM圖

5、燒結工藝

在陶瓷制造工藝過程中，燒結是最重要的工序之一。該過程將影響坯體的一系列物理化學變化，并影響成品的顯微結構和礦物組成。在燒結過程中，陶瓷組成成分的不同將發生不同的變化。在燒結過程中溫度的高低、時間的長短、升降溫速度、最高燒成溫度以及保溫時間都會影響陶瓷材料的導熱系數。

二、陶瓷材料熱導率的提高方法

陶瓷材料熱導率的提高方法主要有組分摻雜、控制原料粉體尺寸和改善陶瓷材料內部結構。在實際應用過程中，陶瓷導熱系數的提高是多種變量綜合作用的結果。

1、組分摻雜

為了提高陶瓷材料的導熱系數，則需要提高陶瓷材料的純度，盡量不添加或少添加外加劑，但為了提高材料的密度和控制晶粒大小，添加一定量的外加劑還是必要的，還可以適量摻雜一些具有高導熱系數的非金屬（Al₂O₃、Fe₂O₃等）、金屬（如Cu等）以及在陶瓷表面負載特定有機物形成高導熱復合材料。

中科學院上海硅酸鹽所通過組分摻雜，開發的高熱導率低溫共燒陶瓷材料具有較高的熱導率（18.8 W/m?K），是現有商業化應用中的LTCC基板材料熱導率的4倍。除此之外，本材料還繼承了LTCC材料的所有優點，可實現低溫下的致密燒結（850oC）。在材料組成和結構上可靈活設計，實現無源元件集成和熱、電分離管理。另外，該材料還具有和硅材料相匹配的熱膨脹系數（4.4），低的介電常數（6.5）和介電損耗（0.0016），硬度小易切割，適合于電子元器件、功能模塊等的封裝基板應用需求。

圖3  高熱導率低溫共燒氧化鋁陶瓷材料制備工藝流程

2、控制顆粒尺寸

當原料顆粒尺寸下降至納米級別時，陶瓷材料的導熱系數降低，適當控制顆粒尺寸可使其導熱系數顯著增加。此外提高陶瓷材料的密度，減少氣孔和玻璃相，使其盡量接近理論密度，也可提高陶瓷材料的導熱系數。

3、改善陶瓷材料內部結構

陶瓷材料內部結構對其導熱系數的影響較復雜，內部熱傳遞方式根據不同情況有多種，例如陶瓷材料內部結構中的互相連通型的氣孔比封閉型氣孔的導熱系數高。封閉氣孔率越高，則導熱系數越低。其他組分的添加有可能在陶瓷的燒成過程中改變其內部結構，影響陶瓷性能。在某種情況下，選擇采取措施改變陶瓷的內部結構以滿足特定的功能需要。氣孔的連通方式、原料顆粒尺寸的大小、如微裂紋等內部缺陷的出現都將會對材料的導熱系數有重大影響。

內部缺陷和顯微結構對陶瓷導熱系數的影響主要是由材料的聲子導熱機理決定的。各類缺陷都是引起聲子散射的中心，這些缺陷都會減小聲子平均自由程和導熱系數。氮化硅陶瓷的傳熱機制為聲子傳熱，當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結構缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低，因此降低晶格氧含量是提高氮化硅熱導率的關鍵。

參考文獻：

1、瞿志學，王群，張延超，燒結方法對AlN陶瓷微觀相貌及熱導率的影響。

2、鞠銀燕，宋士華，陳曉峰，多孔陶瓷的制備、應用及其研究進展．硅酸鹽通報。

作者：樂心