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氮化铝陶瓷的导热机理
2013-11-23

 “热”是一种关系到分子、原子、中子以及它们所组成部分的移动、转动和振动的能量。当问到分布不均匀时,将会有热能从高温处流向低温处,这种现象称为热传导。热流密度表示单位时间内通过单位截面传输的热能,实验证明热流密度与温度梯度成正比,两者的比例系数被称为热传导系数或热传导率。

 
AIN 为共价化合物,在AIN中没有自由电子的存在,热能的传导是声子作为载体以辐射形式进行的,电子载体的贡献几乎没有,光子载体的贡献则随温度等许多因素变化。
 
研究表明,对理想的AIN晶体而言,其热导率主要由声子平均自由程度决定。而声子平均自由程度的大小基本上是由声子的碰撞或者散射过程决定的。影响热传导性质的声子散射主要有以下四种机制:
 
(1)声子间的碰撞。声子互相碰撞散射而产生热阻是晶体中热阻的主要来源,高于德拜温度时更为显著。
 
(2)点缺陷引起的声子散射。点缺陷引起的热阻变化与温度无关。
 
(3)品界散射。
 
(4)位错引起声子散射。
 
对理想的AIN晶体而言,氮化铝晶格的振动是谐性的,声子间的碰撞不存在。但在实际晶体中,热能在AIN晶体中的传播是非谐性的弹性波在连续介质的传播,都存在着声子间的相互作用。声子间相互作用这一散射机制对平均自由程度的影响与温度有关,在较高温度下(T>德拜温度),声子平均自由程度与T的倒数成正比,声子的平均自由程度随温度升高而减少;而在较低温度范围,声子的平均自由程度将随着温度的降低而迅速地增大。
 
声子与AIN晶体的不完整性、各种缺陷、晶界、杂质、位错以及晶体表面等作用也会引起散射,从而影响声子平均自由程度的大小,大大降低AIN热导率。而且这一类声子散射机制对声子平均自由程度影响也随温度的不同而变化;在较高温度是,晶体间互相作用的散射机构对声子平均自由程度的影响迅速减弱,此时晶体的不完整性,缺陷等引起的这类散射机构则直接影响和觉得声子平均自由程度的大小。
 
测试AIN陶瓷热导率的温度一般在室温到几百度,以上讨论表明;在该温区内上述四种声子散射机制互相作用,前两者对声子平均自由程度的影响均较大。通常声子平均自由程度远小于晶粒尺寸,AIN曹操中晶界的厚度也远小于声子平均自由程度,不足以使声子发生散射,且AIN为共价化合物,不可能存在电子散射,而对致密的AIN陶瓷而言,气孔和第二相含量都比较低,声子对他们的散射也不是主要的。因而可以认为AIN热导率主要由晶体缺陷和声子散射控制。
 
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