【科研进展】新型陶瓷材料有望用于电子领域

    最近，美国东北大学的工程师开发了一种新的陶瓷材料，可以压铸成复杂而薄的零件。据称，这一突破可能会在包括手机在内的电子领域开辟新的应用领域，成为更高效耐用的散热材料。

1、“意外而生”

    有趣的是，这种全新的材料实际上来自一次实验室事故。2021年7月，研究人员正在测试一种实验性的陶瓷化合物。理论上，当陶瓷受到极端的热变化和机械压力时，很容易因热冲击而开裂甚至爆炸。

    然而，当研究人员用喷灯喷洒它时，陶瓷意外变形并从夹具上脱落。我以为实验失败了，但最后发现样品完好无损，只是形状不同。经过几次实验，研究人员意识到他们可以控制它的变形。于是，他们开始压缩陶瓷材料，发现这个过程非常快。

    对这种陶瓷的进一步研究揭示了其底层的微观结构，这使得它可以在成型过程中快速传热，实现热量的有效流动。研究人员表示，这种陶瓷可以形成精致的几何形状，在室温下表现出优异的机械强度和导热性。这种热成型陶瓷是一个新的材料领域。

    该研究的作者说，“这是独一无二的:从我们所看到和读到的来看，热成型陶瓷实际上并不存在。所以这是材料领域的一个新前沿。”

2、加工过程

    从初始浆料到最终热成型，加工过程总共分为五个步骤。首先，六方氮化硼（hBN）颗粒作为CMC材料的核心成分被添加到光敏胶中，并沉积在基板上。浆料表现为Hershel-Buckley流体，振动可使其流动。随后，浆料被刮涂成薄膜，剪切力作用可提高hBN的面内取向，提高层内对齐。随后，利用紫外光将其固化。在梯度升温并烧结过程中，部分hBN被均匀氧化为B2O3。

    有趣的是，这种CMC材料加热到450 °C以上时，氧化硼（B2O3）会熔化，使材料再次表现出粘性和可塑性，通过施加足够的热量（500~700 °C）、压力和成型时间（＞10 min），就可以实现结构件的热成型加工，甚至制成复杂的人脸模型（下图a）。除了便于加工，CMC材料具有较高的导热率，垂直平面的热导率为3.52±0.67 W mK−1，由于平面内hBN的剪切取向，面内热导率可达12.8 W mK−1。尽管氧化硼的引入使材料的热导率低于纯hBN的理论值，但与其他可热成型的材料相比，基于hBN的CMC材料密度较低，可用来改善电子设备的散热性能。

    为了探索CMC材料在实际散热中的应用，研究者在500 °C烘箱中热成型全陶瓷散热器，并安装于一块印刷电路板上。散热器厚度仅0.68 mm，对比组的平行翅片铝制散热器，则需要9.07 mm的空间才能完成安装。运行期间，全陶瓷散热器最高温度为52.9 °C，优于铝制散热片（最高温度56.8 °C）。

3、轻薄且散热更高效 有望应用于电子产品

    “我们材料的厚度不到一个毫米，这是一种简单的解决方案，可以被塑造成合适的形状，替代手机中厚重的铝散热器，将热量从设备中带走”，研究人员说。“陶瓷材料不会干扰手机和其他系统的射频信号”，研究人员补充说。

    就电子应用而言，它的一个优点是作为导热体效率高，可以冷却高密度的电子产品。一般来说，手机等电子产品都配有很厚的铝层，这是吸收设备热量所必需的。新材料的厚度不到一毫米，可以成型为更有效的散热装置。

    此外，它不会传输电子，不会干扰无线电频率。机研究人员说:“这种基于声子晶体的陶瓷允许热量流动，而无需电子传输。它不会干扰手机和其他系统的无线电频率。”

    研究人员总结称，未来这种新型陶瓷材料可用于塑形，贴合到各种电子部件上。这种陶瓷将比目前使用的金属更薄、更轻、效率更高。