Gelişmiş seramik malzemeler alanında silisyum nitrür (Si3N4), mükemmel mekanik mukavemeti, kimyasal stabilitesi ve yüksek sıcaklık özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Ancak silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliği, geniş uygulamasını etkileyen temel faktörlerden biri olarak malzeme bilimi araştırmalarında önemli bir konu olmuştur. Bu makale, silikon nitrür seramiklerinin ısı transfer mekanizmasını, özellikle fonon iletimi sırasındaki kafes titreşimi ve saçılma olayını araştırmayı ve silikon nitrürün sinterleme işleminde karbon katkı maddelerinin benzersiz rolüne ve termal iletkenliği iyileştirme mekanizmasına odaklanmayı amaçlamaktadır. Bu makale, deneysel verilerin ve teorik modellerin kapsamlı analizi yoluyla, yüksek termal iletkenliğe sahip silikon nitrür substratın hazırlanmasına yönelik yeni fikirler ve stratejiler sağlamayı amaçlamaktadır.
Isı transfer mekanizmasının yeniden anlaşılması
Tipik bir kovalent bağlı seramik malzeme olarak silisyum nitrürün ısı transfer mekanizması esas olarak kafes titreşimine ve fonon iletimine bağlıdır. Kafesteki fononlar arasındaki doğrusal olmayan yayılma ve çarpışma yalnızca kafes yapısının kendisiyle sınırlı değildir, aynı zamanda iç kusurlar, safsızlıklar ve tane sınırları gibi mikro yapı özelliklerinden de etkilenir. Özellikle kafes oksijeni ana saçılma kaynağıdır ve içeriği, silikon nitrürün termal iletkenliğini etkileyen fononların ortalama serbest yolu ile doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle kafes oksijen içeriğini azaltmak, silikon nitrürün termal iletkenliğini iyileştirmenin temel yollarından biri haline gelir.
Karbon katkı maddelerinin tanıtımı ve mekanizması üzerine tartışma
Son yıllarda, oksit olmayan seramikler için sinterleme katkı maddesi olarak karbonun araştırılması büyük ilgi görmüştür. Silisyum nitrür sisteminde karbon, yalnızca oksit tozunun yüzeyindeki oksit safsızlıklarını gidermek için dahil edilmez, aynı zamanda daha da önemlisi, nitrürleme ve sinterleme sonrası süreçte önemli bir indirgeme rolü oynayabilir. Spesifik olarak karbon, SiO'nun kısmi basıncını azaltabilir ve SiO2 gibi oksijen içeren safsızlıkların azaltılmasını destekleyebilir, böylece kafes oksijen içeriğini azaltabilir. Bu işlem yalnızca kafes ortamını saflaştırmakla kalmadı, aynı zamanda silikon nitrür taneciklerinin büyümesini ve yapının optimizasyonunu da destekledi.
Karbon katkı maddelerinin silikon nitrür seramiklerin termal iletkenliği üzerindeki etkisi
Deneysel sonuçlar, silikon nitrür seramiklerinin ısıl iletkenliğinin uygun miktarda karbon eklenmesiyle önemli ölçüde artırılabileceğini göstermektedir. Spesifik olarak, karbonun indirgenmesi, silikon nitrür taneleri arasındaki ikincil N/O atom oranını artırarak ısı iletimine yardımcı olan iki modlu bir mikro yapı oluşturur. Bu yapısal özellik, verimli ısı iletim kanalları sağlayan büyük taneciklerin ve uzun taneciklerin bir arada bulunmasıyla karakterize edilir; uzun taneler ise fonon saçılımını azaltmaya yardımcı olur ve birlikte silikon nitrür seramiklerin termal iletkenliğini geliştirir.
Ek olarak, karbon katkı maddelerinin kullanılması, hammaddelerin oksijen içeriğine ve sinterleme katkı maddelerinin seçimine ilişkin katı gereklilikleri de azaltır. Geleneksel olarak, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum nitrür seramikleri elde etmek için genellikle düşük oksijen içerikli ve yüksek performanslı sinterleme katkı maddelerine sahip hammadde tozunun seçilmesi gerekir, bu da şüphesiz hazırlama maliyetini arttırır. Karbon katkı maddelerinin eklenmesi bu sorunu bir dereceye kadar hafifletir, böylece mükemmel ısı iletkenliğine sahip silikon nitrür seramikler daha geniş bir hammadde ve katkı maddesi yelpazesinde hazırlanabilmektedir.
Endüstriyel uygulama beklentisi
Teknolojinin sürekli ilerlemesi ve maliyetin sürekli optimizasyonu ile birlikte, yüksek ısı iletkenliğine sahip silisyum nitrür seramiklerinin hazırlanmasına yönelik karbon katkılı sinterleme yönteminin endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılması beklenmektedir. Bu yöntem yalnızca silikon nitrür seramiklerin ısıl iletkenliğini arttırmakla kalmaz, aynı zamanda hazırlama maliyetini de azaltarak yüksek performanslı elektronik paketleme, havacılık ve enerji dönüşüm alanları için daha ekonomik ve verimli bir çözüm sunar. Gelecekte, daha derinlemesine araştırma ve süreç optimizasyonu yoluyla silikon nitrür substrat malzemelerinin yenilikçi uygulamasını ve daha fazla alanda geliştirilmesini daha fazla teşvik etmeyi sabırsızlıkla bekliyoruz.
Özetle, silikon nitrür seramikleri için yenilikçi bir hazırlama teknolojisi olan karbon ilavesi destekli sinterleme, benzersiz indirgeme etkisi yoluyla malzemenin mikro yapısını optimize eder ve silikon nitrür seramiklerinin termal iletkenliğini önemli ölçüde artırır. Bu keşif, yalnızca yüksek performanslı silikon nitrür seramiklerin hazırlanmasında yeni bir yol açmakla kalmıyor, aynı zamanda elektronik paketleme, havacılık ve enerji dönüşümü alanlarının geliştirilmesi için de daha ekonomik ve verimli bir çözüm sunuyor. Araştırmaların sürekli derinleşmesi ve teknolojinin sürekli ilerlemesi ile silikon nitrür seramiklerin benzersiz çekiciliğini ve geniş uygulama olanaklarını daha fazla alanda göstereceğine inanmak için nedenlerimiz var. Bu aynı zamanda bizi yeni malzeme hazırlama teknolojisini keşfetmeye devam etmeye ve malzeme biliminin ilerlemesini ve gelişimini teşvik etmeye de teşvik edecektir.
