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陶瓷材料导热机理

当某种固体材料的两端出现温度梯度时，热量从高温区域传递到低温区域。发生这种现象是由材料的微观机制决定的，高、低温区域的微观粒子因具有不同的动能而相互“碰撞”，发生了能量的交换，传递了热量。

陶瓷材料作为固体材料具有排布规则的粒子，其热传导就需要依靠粒子的振动。这些粒子在其平衡位置上以不同的频率和振幅不断作微小的振动，且温度升高振动愈剧烈。由于固体中粒子之间的吸引力很强，所以其中任意一个发生振动时，就会带动其它粒子以相同的运动状态运动，形成类似简谐运动的点阵波，当它被量子化时就被称为声子。

由于声子属于波的一种，它们之间会发生散射，而且材料的杂质、气孔和晶界都会在声子传播过程中阻碍其运动，这就产生了热量传递的阻力。这也合理解释了材料实际导热率远远小于理论热导率的现象。

致密度对陶瓷材料的性能有着直接显著的影响，对于导热性能来说，陶瓷材料的致密度越高其导热性能越好，主要体现在材料的低气孔率，即气孔越少，声子传播的阻力越小，陶瓷材料的导热性能越好。

粉体原料的纯度对氧化铝陶瓷导热性能的影响

陶瓷材料的导热性能受杂质含量的影响很大，主要分为两种形式，一是粉体原料的纯度；二是在烧结过程中所添加的烧结助剂，添加助剂对提高陶瓷材料的致密度有很大作用，但同时也相当于引入了杂质，对其导热性能产生了不利的影响。

陶瓷原料的纯度指的是材料中主要成分占总成分的百分含量。陶瓷粉体中或多或少都会含有杂质，这些杂质包括一些氧化物或金属离子，以及一些杂相。例如，氧化铝中的杂质往往为制备过程中的粉尘、大颗粒异物、设备加工带入的金属杂质等。

除此之外，还包括一些杂相，比如结构疏松的β-Al2O3、γ-Al2O3，若其存在会影响材料成型之后的密度，从而影响导热性能。另外，氧化铝陶瓷粉体中还会存在一些杂质离子，如Na+、K+、Mg+和Ca2+等，它们的存在会加强粒子对声子的散射、增加声子传播自由程，使材料的热导率降低。

粉体的粒度分布对氧化铝陶瓷导热性能的影响

在陶瓷材料的制备过程中，粉体的制备是非常重要的一个环节，其粉体的性能直接决定了陶瓷成品的性能。粉体的性能主要取决于粉体的粒度分布和微观形貌。

粉体的粒度分布主要影响陶瓷材料的晶粒尺寸和烧结性能。研究人员研究粉末的粒度分布对氧化铝陶瓷材料致密度的影响，结果表明无论使用较宽或窄粒度分布的粉体都可以制备出密度近乎99%的氧化铝陶瓷，而且其晶粒尺寸可以保持在1μm左右，但是，较宽的粒度分布可以提高粉末压制的生坯的密度，能够使材料以较小的收缩率进行致密化过程，主要原因是粒度分布宽的粉体中存在的大颗粒会形成较多空隙，这些空隙在成型过程中会被细颗粒所填充。

研究人员对此进行了更深的研究，他们将烧结分为初、中、后期三个阶段，较宽粒度分布的粉体因提高了生坯的密度而在烧结初期使陶瓷的致密化速率加快，除此之外，在烧结中期，宽粒度分布的粉体提高了晶粒生长的速率，材料中的封闭隔离孔被嵌入较大的颗粒状基体中，因此具有更好的烧结性，而且有助于在烧结后期保持较高的烧结速度。但是较宽的粒度分布会导致材料局部颗粒的堆积而产生致密化的差异，甚至在超过一定的粒度分布时，烧结体的晶粒尺寸会过大，孔结构变粗。为了获得高度致密化的氧化铝陶瓷，在粉体粒度分布的选择中，成型与烧结方式的选择起到了关键性的作用。所以，粉体的粒度分布对于陶瓷材料的密度影响很大，继而决定了陶瓷的导热性能。

粉体的形貌对氧化铝陶瓷导热性能的影响

规则形貌的氧化铝粉体在烧结过程中会对陶瓷材料的性能产生很大影响，研究人员认为具有合理的颗粒粒度及颗粒级配的粉料、通过加入粘结剂对粉末进行造粒，使其具有更好的流动性对后续的成型和烧结会产生积极的影响。在这其中造粒工艺就是让粉体在粘结剂的作用下形成类球状的形貌，这也间接表明球形氧化铝在成型和烧结过程中对提高陶瓷的致密度有着积极的作用。

因此可以发现，粉体的性能（形貌和粒度）影响着陶瓷烧结的性能，这也意味着陶瓷的导热性与其密不可分，片状粉体进行成型和烧结之后密度较低，气孔率较高，研究人员初步推测出其热导率不高；而球形氧化铝粉体可以制备出高密度的透明陶瓷，因此可以判断使用球形粉体制备导热陶瓷是一个合适的选择。但是目前形貌对导热性影响的相关研究并不多见，尚缺乏实验依据。

资料来源：

夏尊，改性氧化铝粉体对其烧结性及导热性的影响，大连交通大学

（中国粉体网编辑整理/平安）

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