電真空器件用陶瓷材料熱導(dǎo)率研究
本文采用激光閃射法分別對不同成型方法制備的95氧化鋁和99氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測試計算，同時也對氮化鋁及氮化鋁基損耗陶瓷的熱導(dǎo)率進(jìn)行測試計算，并與氧化鋁基金屬陶瓷進(jìn)行了比較，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了初步分析。
隨著微波電子器件向著高功率、小型化、長壽命、高可靠性的方向發(fā)展，對其中重要組成部件陶瓷材料的抗熱震性要求越來越高。眾所周知由于陶瓷材料在加工和服役使用過程中常會受到不同程度的冷熱沖擊，有時陶瓷零部件工作的環(huán)境是十分劇烈的。因此，抗熱震性是陶瓷材料的一個重要性能，而熱震也是導(dǎo)致陶瓷材料破壞的一種常見現(xiàn)象。
陶瓷部件在加工和使用中是否會出現(xiàn)熱震斷裂不僅與熱應(yīng)力密切相關(guān)，還與材料中應(yīng)力的分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間等有關(guān)，而陶瓷部件中實(shí)際熱應(yīng)力與熱導(dǎo)率、形狀大小、材料表面對環(huán)境進(jìn)行熱傳遞的能力直接相關(guān)。例如熱導(dǎo)率λ大，部件厚度小，表面對環(huán)境的傳熱系數(shù)小等都有利于制品的溫度趨于均勻而使制品的抗熱震性改善，此種情形下推導(dǎo)得到最大溫差為：
式中，δf為材料的強(qiáng)度極限，ν 為泊松比，λ 為熱導(dǎo)率，E 為彈性模量，α為熱膨脹系數(shù)，h為表面對環(huán)境的傳熱系數(shù)，rm為材料的半厚度。
對于因熱應(yīng)力使陶瓷發(fā)生瞬間斷裂的情況，材料的強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率是主要影響因素。熱導(dǎo)率作為其中主要影響因素之一，應(yīng)受到更多的關(guān)注。因此對材料熱導(dǎo)率進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，可以為改善抗熱震性提供有效的依據(jù)，進(jìn)而為微波電子器件向高功率、小型化、長壽命、高可靠性發(fā)展提供保障。
1、測試方法
1.1、原理
利用激光閃射法對制備樣品進(jìn)行測試，其原理為在一定設(shè)定溫度T(恒溫條件)下，由激光源在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端(上表面)傳播如圖1所示。使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程，得到類似于圖2的溫度(檢測器信號)升高對時間的關(guān)系曲線。
通過計量圖中所示的半升溫時間(在接收光脈沖照射后樣品上表面溫度(檢測器信號)升高到最大值的一半所需的時間)t50(或稱t1/2)，由式(2)：
圖1 熱端將能量向冷端傳播示意圖
圖2 溫度(檢測器信號)隨時間變化關(guān)系曲線
式中d 為樣品厚度�？傻玫綐悠吩跍囟萒 下的熱擴(kuò)散系數(shù)α。由于導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)與熱擴(kuò)散系數(shù)存在如下關(guān)系：
在溫度T下的熱擴(kuò)散系數(shù)α(T)、比熱Cp(T)與密度ρ(T)已知的情況下便可計算得到導(dǎo)熱系數(shù)。其中密度由阿基米德原理測得，其隨溫度的變化可使用材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行修正，比熱可使用文獻(xiàn)值或使用差示掃描熱量(DSC)法測量，也可在激光閃射法儀器中與熱擴(kuò)散系數(shù)同時測量得到(比較法)。
1.2、樣品制備
(1)將樣品研磨加工為直徑12.7mm 的圓片，其端面應(yīng)平行光滑，內(nèi)部材質(zhì)均勻，厚度根據(jù)高導(dǎo)熱樣品制得厚一些，低導(dǎo)熱樣品制得薄一些的原則進(jìn)行加工。
(2)將加工好的陶瓷樣品進(jìn)行表面涂覆。除了少數(shù)深色不透明、表面色澤均勻、反射率低的樣品外，對于一般的樣品均需進(jìn)行表面涂覆，涂覆材料通常使用石墨，目的是增加樣品表面對光能的吸收比與紅外發(fā)射率，且對透明/半透明樣品使光能僅在表層吸收并進(jìn)行表層檢測，避免透射/深層吸收/深層檢測現(xiàn)象。石墨涂層的厚度應(yīng)適度，既能保證材料表面的均勻有效遮覆，同時又不能太厚。
2、結(jié)論
本文通過對不同材料熱導(dǎo)率的測量和數(shù)據(jù)分析，得出了厚度變化對熱導(dǎo)率測試的影響以及對待測樣品厚度的估算方法，并給出了不同導(dǎo)熱率試樣厚度的參考范圍。同時，本文還給出了氧化鋁基和氮化鋁基衰減陶瓷熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線并將3種不同的衰減材料進(jìn)行了對比，為微波器件熱設(shè)計和材料的選擇提供了參考數(shù)據(jù)。
