مدونة

في مجال المواد الخزفية المتقدمة، اجتذبت نيتريد السيليكون (Si3N4) الكثير من الاهتمام لقوتها الميكانيكية الممتازة، والاستقرار الكيميائي وخصائص درجة الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون، باعتباره أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تطبيقه على نطاق واسع، كان موضوعًا مهمًا في أبحاث علوم المواد. يهدف هذا البحث إلى دراسة آلية انتقال الحرارة لسيراميك نيتريد السيليكون، وخاصة ظاهرة اهتزاز الشبكة والتشتت أثناء توصيل الفونون، والتركيز على الدور الفريد لإضافات الكربون في عملية تلبيد نيتريد السيليكون وآلية تحسين التوصيل الحراري. من خلال التحليل الشامل للبيانات التجريبية والنماذج النظرية، تهدف هذه الورقة إلى تقديم أفكار واستراتيجيات جديدة لإعداد ركيزة نيتريد السيليكون ذات الموصلية الحرارية العالية.

إعادة فهم آلية نقل الحرارة

باعتبارها مادة خزفية تساهمية نموذجية، فإن آلية نقل الحرارة لنتريد السيليكون تعتمد بشكل أساسي على اهتزاز الشبكة وتوصيل الفونون. لا يقتصر الانتشار والاصطدام غير الخطي بين الفونونات في الشبكة على بنية الشبكة نفسها فحسب، بل يتأثر أيضًا بخصائص البنية المجهرية مثل العيوب الداخلية والشوائب وحدود الحبوب. على وجه الخصوص، يعتبر الأكسجين الشبكي مصدر التشتت الرئيسي، ويرتبط محتواه ارتباطًا مباشرًا بمتوسط ​​المسار الحر للفونونات، مما يؤثر على التوصيل الحراري لنتريد السيليكون. لذلك، يصبح تقليل محتوى الأكسجين الشبكي إحدى الطرق الرئيسية لتحسين التوصيل الحراري لنتريد السيليكون.

مناقشة حول إدخال وآلية إضافة الكربون

في السنوات الأخيرة، اجتذبت الأبحاث المتعلقة بالكربون باعتباره مادة مضافة للتلبيد للسيراميك غير المؤكسد اهتمامًا واسع النطاق. في نظام نيتريد السيليكون، يتم إدخال الكربون ليس فقط لإزالة شوائب الأكسيد الموجودة على سطح مسحوق الأكسيد، ولكن الأهم من ذلك، أنه يمكن أن يلعب دورًا هامًا في عملية الاختزال في عملية النيترة وما بعد التلبد. على وجه التحديد، يمكن للكربون تقليل الضغط الجزئي لـ SiO وتعزيز تقليل الشوائب المحتوية على الأكسجين مثل SiO2، وبالتالي تقليل محتوى الأكسجين الشبكي. هذه العملية لم تنقي بيئة الشبكة فحسب، بل عززت أيضًا نمو حبيبات نيتريد السيليكون وتحسين البنية.

تأثير إضافات الكربون على التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون

أظهرت النتائج التجريبية أن التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون يمكن تحسينه بشكل كبير عن طريق إضافة كمية مناسبة من الكربون. على وجه التحديد، يؤدي تقليل الكربون إلى زيادة النسبة الذرية الثانوية N/O بين حبيبات نيتريد السيليكون، مما يشكل بنية مجهرية ثنائية النسق تساعد على توصيل الحرارة. وتتميز هذه الميزة الهيكلية بالتعايش بين الحبيبات الكبيرة والحبيبات الطويلة، مما يوفر قنوات توصيل حرارية فعالة، بينما تساعد الحبوب المطولة على تقليل تشتت الفونون، وتحسين التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون.

بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام إضافات الكربون يقلل أيضًا من المتطلبات الصارمة لمحتوى الأكسجين في المواد الخام واختيار إضافات التلبيد. تقليديا، من أجل الحصول على موصلية حرارية عالية لسيراميك نيتريد السيليكون، غالبا ما يكون من الضروري اختيار مسحوق المواد الخام مع محتوى منخفض من الأكسجين ومضافات تلبيد عالية الأداء، مما يزيد بلا شك من تكلفة التحضير. إن إدخال إضافات الكربون يخفف من هذه المشكلة إلى حد ما، بحيث يمكن تحضير سيراميك نيتريد السيليكون ذو الموصلية الحرارية الممتازة في مجموعة واسعة من المواد الخام والمواد المضافة.

احتمال التطبيق الصناعي

مع التقدم التكنولوجي المستمر والتحسين المستمر للتكلفة، من المتوقع أن يتم استخدام طريقة التلبيد بمساعدة الكربون المضاف لتحضير سيراميك نيتريد السيليكون عالي التوصيل الحراري على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي. لا تعمل هذه الطريقة على تحسين التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون فحسب، بل تقلل أيضًا من تكلفة التحضير، مما يوفر حلاً أكثر اقتصادا وكفاءة للتغليف الإلكتروني عالي الأداء ومجالات تحويل الفضاء والطاقة. في المستقبل، نتطلع إلى مواصلة تعزيز التطبيق المبتكر وتطوير المواد الأساسية من نيتريد السيليكون في المزيد من المجالات من خلال المزيد من الأبحاث المتعمقة وتحسين العمليات.

باختصار، التلبيد بمساعدة إضافة الكربون، كتقنية تحضير مبتكرة لسيراميك نيتريد السيليكون، يعمل على تحسين البنية الدقيقة للمادة من خلال تأثير الاختزال الفريد ويحسن بشكل كبير التوصيل الحراري لسيراميك نيتريد السيليكون. لا يفتح هذا الاكتشاف طريقة جديدة لتحضير سيراميك نيتريد السيليكون عالي الأداء فحسب، بل يوفر أيضًا حلاً أكثر اقتصادا وكفاءة لتطوير التغليف الإلكتروني والفضاء وتحويل الطاقة. مع تعميق البحث المستمر والتقدم التكنولوجي المستمر، لدينا سبب للاعتقاد بأن سيراميك نيتريد السيليكون سيُظهر سحره الفريد وآفاق تطبيقه الواسعة في المزيد من المجالات. وفي الوقت نفسه، سيشجعنا هذا أيضًا على مواصلة استكشاف تكنولوجيا جديدة لإعداد المواد، وتعزيز التقدم والتطور في علم المواد.