南科大汪宏Cell子刊《CRPS》：近室温制备高导热陶瓷

近日，南方科技大学材料科学与工程系汪宏讲席教授课题组在微波介质陶瓷领域取得重要进展，相关研究成果以“All-Ceramics with Ultrahigh Thermal Conductivity and Superior Dielectric Properties Created at Ultralow Temperatures”为题在Cell旗下国际学术期刊Cell Reports Physical Science上发表。该工作在超低烧结温度下开发出具有超高热导率的微波介质陶瓷，为高频高速通讯电路的发展提供重要技术支撑和发展动力。

微波介质陶瓷作为电容器、基板、谐振器和滤波器等被动电子元器件的首选材料，被广泛应用于无线通讯、智能驾驶、电动汽车、航空航天和卫星通讯等领域。一方面，在制备过程中，为了满足器件小型化的需求，微波介质陶瓷通常需与Ag或者Al等金属电极共烧，这要求微波介质陶瓷的烧结温度必须低于金属电极的熔点；另一方面，随着信息技术的快速发展，电子器件功率密度成倍增加，这要求微波介质陶瓷具有更高的热导率。在此背景下，开发可低温烧结的高热导率微波介质陶瓷具有重要的理论研究与实际应用价值。然而，由于高热导率陶瓷一般具有强化学键、简单晶格和轻原子特征，它们的烧结温度通常很高。目前，低温下很难烧结出高热导率的陶瓷，最大热导率不超过15 W m^-1 K^-1，显著落后于常规高温烧结陶瓷。

在此工作中，研究团队引入高热导率的六方氮化硼片，通过调控组分和压力以形成高度取向陶瓷结构，在150°C的超低烧结温度下制备了超高热导率的陶瓷。该工艺制备的氮化硼基陶瓷具有高的相对密度97%，超过或匹配其他烧结工艺制备的氮化硼基陶瓷，例如：等离子烧结、传统高温烧结和热压烧结。BN片的高取向度和高相对密度，导致建立高效声子传输通道，使得热导率达到创纪录的42 W m^-1 K^-1，超过目前所有的低烧结温度陶瓷，甚至可以与1500°C以上高温烧结陶瓷相媲美。

图1 LMO-BN复合材料的制备及结构表征

图2 LMO-BN复合材料的导热性能

该工作通过实验、仿真和模拟相结合的方式深入探究了高热导率的内在形成机制。通过电子显微镜在微观尺度下发现氮化硼片发生了取向，进一步通过X射线衍射数据计算氮化硼的取向度和氮化硼与XY面的夹角证明氮化硼发生了取向。此外，针对该热导率无法为传统导热模型所理解的问题，建立了一种复合材料取向热导模型。该模型结果与实验数据良好吻合，从理论上进一步阐释了取向结构和热导率之间的内在联系。

图3 BN的取向度和本研究提出的导热预测模型

该工作不仅具有高的热导率，而且具有优异的微波性能。与目前具有代表性文献报道的材料以及广泛商用材料对比，该工作具有优异的综合性能，在微波/毫米波通信设备中具有广阔的应用前景。

图4 LMO-BN复合材料的微波性能

南方科技大学材料系博士研究生陈乃超为论文的第一作者，南科大材料系博士后李立为论文共同第一作者。南科大材料系汪宏讲席教授为论文的通讯作者。南方科技大学为唯一通讯单位。南科大材料系刘玮书教授、研究助理教授徐信未、博士研究生程进和硕士研究生王程远参与了该项研究。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、国家重点研发计划、广东省重点实验室项目及深圳市科创委项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424001176

来源：南方科技大学新闻网

https://newshub.sustech.edu.cn/html/202403/44901.html