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첨단 세라믹 소재 분야에서 질화규소(Si3N4)는 우수한 기계적 강도, 화학적 안정성, 고온 특성으로 인해 많은 주목을 받아왔습니다. 그러나 질화규소 세라믹의 열전도도는 폭넓은 적용에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나로 재료 과학 연구에서 중요한 주제였습니다. 본 논문은 질화규소 세라믹의 열전달 메커니즘, 특히 포논 전도 시 격자 진동 및 산란 현상을 조사하고, 질화규소의 소결 과정에서 탄소 첨가제의 독특한 역할과 열전도도를 향상시키는 메커니즘에 초점을 맞추는 것을 목표로 한다. 본 논문은 실험 데이터와 이론적 모델의 종합적인 분석을 통해 높은 열전도도를 갖는 질화규소 기판

열전달 메커니즘의 재이해

전형적인 공유 결합 세라믹 재료인 질화규소의 열 전달 메커니즘은 주로 격자 진동과 포논 전도에 의존합니다. 격자 내 포논 간의 비선형 전파 및 충돌은 격자 구조 자체에 의해 제한될 뿐만 아니라 내부 결함, 불순물 및 결정립 경계와 같은 미세 구조 특성의 영향을 받습니다. 특히, 격자 산소는 주요 산란원이며, 그 함량은 질화규소의 열전도도에 영향을 미치는 포논의 평균 자유 경로와 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 격자 산소 함량을 줄이는 것은 질화규소의 열전도도를 향상시키는 핵심 방법 중 하나가 됩니다.

탄소첨가제의 도입 및 메커니즘에 대한 고찰

최근 몇 년간 비산화물 세라믹의 소결 첨가제로서 탄소에 대한 연구가 큰 주목을 받고 있습니다. 질화규소계에서는 탄소를 도입하여 산화물 분말 표면의 산화물 불순물을 제거할 뿐만 아니라, 더욱 중요한 것은 질화 및 소결 후 공정에서 상당한 환원 역할을 할 수 있다는 점이다. 구체적으로, 탄소는 SiO의 분압을 감소시키고, SiO2와 같은 산소 함유 불순물의 환원을 촉진하여 격자 산소의 함량을 감소시킬 수 있다. 이 공정은 격자 환경을 정화할 뿐만 아니라 질화규소 입자의 성장과 구조 최적화를 촉진했습니다.

탄소첨가제가 질화규소 세라믹의 열전도도에 미치는 영향

실험 결과는 적절한 양의 탄소를 첨가함으로써 질화규소 세라믹의 열전도도가 크게 향상될 수 있음을 보여줍니다. 구체적으로, 탄소의 환원은 질화규소 입자 사이의 2차 N/O 원자 비율을 증가시켜 열 전도에 도움이 되는 이중 모드 미세 구조를 형성합니다. 이러한 구조적 특징은 효율적인 열 전도 채널을 제공하는 큰 입자와 긴 입자가 공존하는 것이 특징이며, 긴 입자는 포논 산란을 줄이고 질화 규소 세라믹의 열전도도를 공동으로 향상시키는 데 도움이 됩니다.

또한 탄소 첨가제를 사용하면 원료의 산소 함량 및 소결 첨가제 선택에 대한 엄격한 요구 사항도 줄어듭니다. 전통적으로 열 전도성이 높은 질화규소 세라믹을 얻으려면 산소 함량이 낮은 원료 분말과 고성능 소결 첨가제를 선택해야 하는 경우가 많으며 이는 의심할 여지 없이 준비 비용을 증가시킵니다. 탄소첨가제를 도입하면 이러한 문제가 어느 정도 완화되어 보다 다양한 원료와 첨가물로 열전도도가 우수한 질화규소 세라믹을 제조할 수 있게 된다.

산업적 활용 전망

지속적인 기술 발전과 지속적인 비용 최적화로 인해 고열 전도성 질화 규소 세라믹을 제조하기 위한 탄소 첨가제 보조 소결 방법이 산업 생산에 널리 사용될 것으로 예상됩니다. 이 방법은 질화규소 세라믹의 열전도도를 향상시킬 뿐만 아니라 준비 비용을 줄여 고성능 전자 패키징, 항공우주 및 에너지 변환 분야에 보다 경제적이고 효율적인 솔루션을 제공합니다. 앞으로 우리는 보다 심층적인 연구와 공정 최적화를 통해 더 많은 분야에서 질화규소 기판 재료의 혁신적인 응용 및 개발을 더욱 촉진할 수 있기를 기대합니다.

요약하면, 탄소 첨가 보조 소결은 질화규소 세라믹의 혁신적인 준비 기술로서 독특한 환원 효과를 통해 재료의 미세 구조를 최적화하고 질화규소 세라믹의 열전도도를 크게 향상시킵니다. 이 발견은 고성능 질화규소 세라믹 제조를 위한 새로운 길을 열었을 뿐만 아니라 전자 패키징, 항공우주 및 에너지 전환 개발을 위한 보다 경제적이고 효율적인 솔루션을 제공합니다. 지속적인 연구 심화와 지속적인 기술 발전으로 질화 규소 세라믹이 더 많은 분야에서 독특한 매력과 폭넓은 응용 가능성을 보여줄 것이라고 믿을 이유가 있습니다. 동시에 이는 우리가 새로운 재료 준비 기술을 계속해서 탐구하고 재료 과학의 진보와 발전을 촉진하도록 장려할 것입니다.