1 1.中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异, 作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质, 多孔C-Si3N4为熔渗预制体, 对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响: 以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时, 反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si3N4界面处将原位形成一层致密的Al-O阻挡层, 从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si3N4预制体内部的渗透, 使反应熔渗过程难以进行；以Si-Al合金锭作为熔渗介质时, Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si3N4预制体内部, 并通过进一步反应, 原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明, 所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低, 材料强度明显提升, 而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷, 抗弯强度达到320.1 MPa, 热导率达26.3 W·m-1·K-1, 材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当, 并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiCf/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。
反应熔渗(RMI) AlN-SiC 机械性能 热导率 reactive melt infiltration (RMI) AlN-SiC mechanical property thermal conductivity
1 1.中国科学院 理化技术研究所, 低温重点实验室, 北京 100190
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的崛起, 电力电子器件向高输出功率和高功率密度的方向快速发展, 对用于功率模块封装的陶瓷基板材料提出更高的性能要求。传统的Al2O3和AlN陶瓷由于热导率较低或力学性能较差, 均不能满足新一代功率模块封装的应用需求, 相较之下, 新发展的Si3N4陶瓷因兼具高强度和高热导率, 成为最具潜力的绝缘性散热基板材料。近年来, 研究人员通过筛选有效的烧结助剂体系, 并对烧结工艺进行优化, 在制备高强度高热导率Si3N4陶瓷方面取得一系列突破性进展。另外, 伴随覆铜Si3N4陶瓷基板工程应用的推进, 对其制成的基板的力、热和电学性能的评价也成为研究热点。本文从影响Si3N4陶瓷热导率的关键因素出发, 重点对通过烧结助剂的选择和烧结工艺的改进来提高Si3N4陶瓷热导率的国内外工作进行综述。此外, 首次系统总结并介绍了Si3N4陶瓷基板的介电击穿强度以及覆铜后性能评价研究的最新进展, 最后展望了高热导率Si3N4陶瓷基板的未来发展方向。
氮化硅 热导率 力学性能 烧结助剂 烧结工艺 综述 silicon nitride thermal conductivity mechanical property sintering additives sintering processes review
1 中国电子科技集团公司 第二十九研究所，成都610036
2 四川省宽带微波电路高密度集成工程研究中心，成都610036
为了保持直调电/光转换组件激光器恒温区域温度不变，提出了一种新型的热隔离高频信号传输结构。该结构采用低热导率介质的电容来传输高频信号，有效增大了电/光转换组件中射频和激光器芯片之间的传热热阻，降低了从射频到激光器芯片恒温区之间的热传导。仿真结果表明：与传统的电路片搭接结构、金丝级联结构相比，所提传输结构使半导体制冷器的热负载分别降低了20.5%、10%，电流分别降低了100、60 mA；同时，该传输结构在2~18 GHz频段内的回波损耗最大只有-16.7 dB，具备良好的射频传输性能。
热隔离 电容 低热导率 电/光转换组件 半导体制冷器 回波损耗 thermal insulation, capacitance, low conduction, e
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
n型AgBiSe2基化合物的晶格热导率低, 是一种很有潜力的高性能热电材料。然而, 本征AgBiSe2化合物在300~700 K之间存在两次相变, 使其应用受限。因此, 获得具有稳定结构的AgBiSe2基化合物, 并优化热电性能至关重要。本研究选择无铅的IV-VI族化合物SnTe与AgBiSe2进行合金化, 制备了(AgBiSe2)1-x(SnTe)x (x=0.10~0.30)化合物。引入SnTe降低了AgBiSe2立方相的相变温度, 还有效抑制其发生可逆相变, 得到了稳定的立方相(AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25材料。SnTe引起晶格中原子高度无序分布, 导致室温下晶格热导率从0.76 W·m-1·K-1(x=0.10)降低到0.51 W·m-1·K-1(x=0.30)。进一步Ag位掺杂Nb元素, 可以提升载流子浓度, 增加该体系((Ag1-yNbyBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物)的有效质量, 大幅度提升电性能。室温下电导率由77.7 S·cm-1(基体)增大到158.1 S·cm-1 (y=0.02)。同时, 材料中的杂质点缺陷也逐步增加, 高温下缺陷散射进一步降低晶格热导率。在700 K时, 晶格热导率由0.56 W·m-1·K-1(未掺杂)降低至0.43 W·m-1·K-1 (y=0.04), 最终获得了立方相结构稳定的(Ag0.98Nb0.02BiSe2)0.75(SnTe)0.25材料, 650 K的ZT达到0.32。上述研究结果表明, (AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物是一种具有低晶格热导率和稳定立方相结构的n型热电材料。本研究为高性能相变热电材料的晶体结构调控提出了新解决方案, 有助于进一步推动其应用发展。
AgBiSe2基化合物 晶格热导率 立方相 AgBiSe2-based compound lattice thermal conductivity cubic structure
1 北方民族大学材料科学与工程学院, 银川 750021
2 碳基先进陶瓷制备技术国家地方联合工程研究中心, 银川 750021
3 南昌航空大学航空制造工程学院, 南昌 330000
采用冰模板法构筑具有层状结构的Al2O3三维网络骨架, 并通过真空浸渍工艺制备出Al2O3/环氧树脂(EP)复合材料。研究了楔形硅橡胶角度、浆料固相含量、冷冻温度对层状Al2O3三维网络骨架微观结构的影响, 分析了片层间距对Al2O3/EP复合材料导热、介电和绝缘性能的影响。结果表明: 楔形硅橡胶角度为10°和15°时Al2O3三维网络骨架的层状有序性最佳, 固相含量的增加和冷冻温度的降低均会使片层间距减小; Al2O3/EP复合材料的热导率和介电常数随着片层间距的减小而增大, 但体积电阻率呈降低趋势; 当片层间距为45 μm时, 热导率达到0.52 W/(m·K), 体积电阻率为1012 Ω·cm。
Al2O3三维网络骨架 Al2O3/EP复合材料 冰模板法 热导率 介电常数 体积电阻率 Al2O3 3D network skeleton Al2O3/EP composite ice template method thermal conductivity dielectric constant volume resistivity
1 天津理工大学理学院, 天津 300384
2 天津理工大学功能晶体研究院, 天津 300384
随着高功率固态激光器和光纤激光器的发展, 对可见光-近红外区域的光学隔离器要求逐渐增加。目前设备原件正趋于小型化发展, 工业应用最广泛的铽镓石榴石(TGG)晶体因其较小的Verdet常数, 无法满足未来高功率激光器的需要。Tb2O3具有较高的Verdet常数, 但是高熔点和相变机制使其难以通过常规提拉法进行单晶生长。本研究通过向Tb2O3中掺杂Y2O3, 研究了不同掺杂浓度下(TbxY1-x)2O3的晶体生长。在n(Tb)∶n(Y)=1∶1时, 通过激光浮区(LFZ)法生长了TbYO3单晶, 而纯净的Tb2O3和(Tb0.3Y0.7)2O3单晶无法通过该方法合成。TbYO3晶体具有较高的Verdet常数(445 nm处为529 rad·T-1·m-1, 880 nm处为116 rad·T-1·m-1), 为TGG晶体(445 nm处为350 rad·T-1·m-1, 880 nm处为49 rad·T-1·m-1)的1.51~2.37倍。因此, TbYO3晶体可以有效减少构建光学隔离器的介质长度或降低嵌入光学隔离器所需的磁场强度。此外, TbYO3晶体还具有11 W·m-1·K-1的中等热导率, 1.67 GW·cm-2的高激光损伤阈值。这些优点可以使TbYO3晶体成为一种有吸引力的磁光材料。
激光浮区法 Verdet常数 热导率 磁光晶体 激光损伤阈值 TbYO3 TbYO3 laser floating zone method Verdet constant thermal conductivity magneto-optical crystal laser induced damage threshold
1 同济大学材料科学与工程学院，上海 201804
2 同济大学物理科学与工程学院，上海 201804
3 华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641
4 香港大学机械工程学院，香港 999077
热电材料是一种可实现热能和电能直接转换的功能材料。BaBi2Se4因其较低的热导率和良好的导电性成为具有潜力的热电材料。本文以BaBi2Se4为研究对象，系统研究了材料的物相组成及电、热输运性能。研究发现，所有样品呈现出n型半导体导电特征，Te固溶能有效减少材料中Bi2Se3杂质，降低材料的载流子浓度，优化材料电学输运性能。同时，由于复杂的晶体结构，样品在全温区具有较低的晶格热导率。本工作表明BaBi2Se4是具有潜力的热电材料。
四硒化二铋钡 热电材料 电学输运性能 晶格热导率 barium bismuth selenide thermoelectric materials electronic transport properties lattice thermal conductivity
微波复合基板是一类由树脂和无机填料组成的应用于微波频段电路中起传输信号、电气连接、元件支撑等作用的功能性复合材料, 是航空航天、电子对抗、5G/6G通信等领域的基础、共性和关键材料。近20年来, 中国微波复合基板研制水平取得了长足的进步, 但距离世界先进水平还存在不小的差距; 民用基板市场日趋饱和, 高端基板产品仍大量依赖进口。随着毫米波通信时代的到来, 国产微波基板将迎来更大的发展机遇, 也必将迎来更激烈的竞争和更严峻的挑战。首先从微波复合基板的性能剖析出发, 系统阐述了各性能的影响因素及作用机制; 然后按照树脂基体分类, 讨论不同树脂基体的微波复合基板的特性; 在此基础上, 进一步梳理了微波复合基板领域近10年来国内外的研究进展; 最后展望国产微波复合基板的发展, 为提升其研制水平提供一些参考。
微波复合基板 毫米波 介电性能 热导率 界面 microwave composite substrate millimeter wave dielectric property thermal conductivity interface
1 安徽海螺暹罗耐火材料有限公司, 芜湖 241070
2 安徽海螺集团有限责任公司, 芜湖 241000
3 安徽理工大学材料科学与工程学院, 淮南 232001
以不同粒径的烧结镁砂、电熔镁铝尖晶石、镁铝尖晶石空心球为起始原料, 采用固相烧结法制备了方镁石-镁铝尖晶石砖。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征试样的物相组成和微观结构, 利用阿基米德排水法测试试样的体积密度和显气孔率, 研究轻质氧化镁含量和烧结温度对方镁石-镁铝尖晶石砖性能的影响。结果表明, 随轻质氧化镁含量的增加, 方镁石-镁铝尖晶石砖显气孔率呈增加趋势, 而体积密度变化不明显, 试样表现出优异的力学性能。当轻质氧化镁含量为25%(质量分数)时, 方镁石-镁铝尖晶石砖的抗折强度最大为9.56 MPa, 热导率最低为1.92 W·m-1·K-1。显微结构表明骨料和基质结合良好, 并能形成微孔状通道。利用其特殊的微孔结构, 提高了试样的力学性能和耐腐蚀性, 进一步保护方镁石-镁铝尖晶石砖免受碱侵蚀。
轻质氧化镁 物理性能 力学性能 热导率 显微结构 耐碱性 lightweight magnesia physical property mechanical property thermal conductivity microstructure alkali resistance
二维WS2是一种层状过渡金属硫化物，因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT)，利用第一性原理研究了单层WS2声子的输运特性，分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS2晶格热导率的影响机理，计算了其声子的临界平均自由程，提出通过调整阻断频率的方法来调控WS2的晶格热导率。研究结果表明：单层WS2在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K)，且随温度的升高而降低；从各声子支对总热导率的贡献来看，声学声子支起主要作用，特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS2热导率的贡献百分比最大(44.28%)；单层WS2声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS2纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。
层状过渡金属硫化物 声子 热输运特性 第一性原理 谐性效应 晶格热导率 WS2 WS2 layered transition metal sulfide phonon thermal transport property first-principle harmonic effect lattice thermal conductivity
