先端セラミック材料の分野では、窒化ケイ素 (Si3N4) がその優れた機械的強度、化学的安定性、高温特性で注目を集めています。しかし、窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率は、その幅広い用途に影響を与える重要な要素の 1 つとして、材料科学研究において重要なテーマとなっています。本論文は、窒化ケイ素セラミックスの熱伝達メカニズム、特にフォノン伝導時の格子振動と散乱現象を調査し、窒化ケイ素の焼結プロセスにおける炭素添加剤の独特の役割と熱伝導率を改善するメカニズムに焦点を当てることを目的としています。この論文は、実験データと理論モデルの包括的な分析を通じて、高い熱伝導率を備えた窒化ケイ素基板
を調製するための新しいアイデアと戦略を提供することを目的としています。
熱伝達メカニズムの再理解
典型的な共有結合セラミック材料である窒化ケイ素の熱伝達機構は主に格子振動とフォノン伝導に依存します。格子内のフォノン間の非線形伝播と衝突は、格子構造自体によって制限されるだけでなく、内部欠陥、不純物、粒界などの微細構造の特性にも影響されます。特に、格子酸素は主な散乱源であり、その含有量はフォノンの平均自由行程に直接関係しており、窒化シリコンの熱伝導率に影響を与えます。したがって、格子酸素含有量を減らすことが、窒化ケイ素の熱伝導率を改善するための重要な方法の 1 つになります [10]。
カーボン添加剤の導入とメカニズムに関する考察
近年、非酸化物セラミックスの焼結助剤としての炭素の研究が大きな注目を集めています。窒化ケイ素システムでは、炭素は酸化物粉末の表面の酸化物不純物を除去するためだけでなく、より重要なことに、窒化および焼結後のプロセスにおいて重要な還元の役割を果たすことができるという点で導入されます。具体的には、炭素は、ＳｉＯの分圧を低下させ、ＳｉＯ ２ などの酸素含有不純物の減少を促進し、それにより格子酸素の含有量を減少させることができる。このプロセスは格子環境を浄化するだけでなく、窒化ケイ素粒子の成長と構造の最適化も促進しました。[16]
窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率に対する炭素添加剤の影響
実験結果は、適切な量の炭素を添加することによって窒化ケイ素セラミックスの熱伝導率が大幅に改善できることを示しています。具体的には、炭素の減少により窒化ケイ素粒子間の二次 N/O 原子比が増加し、熱伝導を促進する二峰性の微細構造が形成されます。この構造的特徴は、効率的な熱伝導チャネルを提供する大きな粒子と細長い粒子が共存することを特徴とし、一方、細長い粒子はフォノン散乱の低減に役立ち、共同して窒化ケイ素セラミックの熱伝導率を改善する。
さらに、炭素添加剤の使用により、原材料の酸素含有量や焼結助剤の選択に対する厳しい要件も緩和されます。従来、高熱伝導率の窒化ケイ素セラミックスを得るには、酸素含有量の低い原料粉末と高性能の焼結助剤を選択する必要があり、間違いなく製造コストが増加します。炭素添加剤の導入により、この問題はある程度軽減され、優れた熱伝導率を有する窒化ケイ素セラミックスをより広範囲の原料および添加剤で製造できるようになる[24]。
産業応用の見通し
技術の継続的な進歩とコストの継続的な最適化により、高熱伝導率の窒化ケイ素セラミックスを製造するための炭素添加焼結法は、工業生産に広く使用されることが期待されています。この方法は、窒化ケイ素セラミックの熱伝導率を向上させるだけでなく、製造コストも削減し、高性能電子パッケージング、航空宇宙およびエネルギー変換分野に、より経済的で効率的なソリューションを提供します。将来的には、より徹底的な研究とプロセスの最適化を通じて、より多くの分野で窒化ケイ素基板材料の革新的な応用と開発をさらに促進することを楽しみにしています
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