近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系汪宏講席教授課題組在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“All-Ceramics with Ultrahigh Thermal Conductivity and Superior Dielectric Properties Created at Ultralow Temperatures”為題在Cell旗下國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Reports Physical Science上發(fā)表。該工作在超低燒結(jié)溫度下開(kāi)發(fā)出具有超高熱導(dǎo)率的微波介質(zhì)陶瓷，為高頻高速通訊電路的發(fā)展提供重要技術(shù)支撐和發(fā)展動(dòng)力。
微波介質(zhì)陶瓷作為電容器、基板、諧振器和濾波器等被動(dòng)電子元器件的首選材料，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通訊、智能駕駛、電動(dòng)汽車、航空航天和衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。一方面，在制備過(guò)程中，為了滿足器件小型化的需求，微波介質(zhì)陶瓷通常需與Ag或者Al等金屬電極共燒，這要求微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度必須低于金屬電極的熔點(diǎn)；另一方面，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件功率密度成倍增加，這要求微波介質(zhì)陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率。在此背景下，開(kāi)發(fā)可低溫?zé)Y(jié)的高熱導(dǎo)率微波介質(zhì)陶瓷具有重要的理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，由于高熱導(dǎo)率陶瓷一般具有強(qiáng)化學(xué)鍵、簡(jiǎn)單晶格和輕原子特征，它們的燒結(jié)溫度通常很高。目前，低溫下很難燒結(jié)出高熱導(dǎo)率的陶瓷，最大熱導(dǎo)率不超過(guò)15 W m-1?K-1，顯著落后于常規(guī)高溫?zé)Y(jié)陶瓷。
在此工作中，研究團(tuán)隊(duì)引入高熱導(dǎo)率的六方氮化硼片，通過(guò)調(diào)控組分和壓力以形成高度取向陶瓷結(jié)構(gòu)，在150°C的超低燒結(jié)溫度下制備了超高熱導(dǎo)率的陶瓷。該工藝制備的氮化硼基陶瓷具有高的相對(duì)密度97%，超過(guò)或匹配其他燒結(jié)工藝制備的氮化硼基陶瓷，例如：等離子燒結(jié)、傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)和熱壓燒結(jié)。BN片的高取向度和高相對(duì)密度，導(dǎo)致建立高效聲子傳輸通道，使得熱導(dǎo)率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的42 W m-1?K-1，超過(guò)目前所有的低燒結(jié)溫度陶瓷，甚至可以與1500°C以上高溫?zé)Y(jié)陶瓷相媲美。
圖1?LMO-BN復(fù)合材料的制備及結(jié)構(gòu)表征
圖2?LMO-BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能
該工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真和模擬相結(jié)合的方式深入探究了高熱導(dǎo)率的內(nèi)在形成機(jī)制。通過(guò)電子顯微鏡在微觀尺度下發(fā)現(xiàn)氮化硼片發(fā)生了取向，進(jìn)一步通過(guò)X射線衍射數(shù)據(jù)計(jì)算氮化硼的取向度和氮化硼與XY面的夾角證明氮化硼發(fā)生了取向。此外，針對(duì)該熱導(dǎo)率無(wú)法為傳統(tǒng)導(dǎo)熱模型所理解的問(wèn)題，建立了一種復(fù)合材料取向熱導(dǎo)模型。該模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合，從理論上進(jìn)一步闡釋了取向結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率之間的內(nèi)在聯(lián)系。
圖3?BN的取向度和本研究提出的導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型
該工作不僅具有高的熱導(dǎo)率，而且具有優(yōu)異的微波性能。與目前具有代表性文獻(xiàn)報(bào)道的材料以及廣泛商用材料對(duì)比，該工作具有優(yōu)異的綜合性能，在微波/毫米波通信設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用
前景。
圖4?LMO-BN復(fù)合材料的微波性能
南方科技大學(xué)材料系博士研究生陳乃超為論文的第一作者，南科大材料系博士后李立為論文共同第一作者。南科大材料系汪宏講席教授為論文的通訊作者。南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。南科大材料系劉瑋書教授、研究助理教授徐信未、博士研究生程進(jìn)和碩士研究生王程遠(yuǎn)參與了該項(xiàng)研究。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目及深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424001176
原文鏈接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202403/44901.html
文章來(lái)源：南方科技大學(xué)
南科大汪宏課題組在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系汪宏講席教授課題組在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“All-Ceramics with Ultrahigh Thermal Conductivity and Superior Dielectric Properties Created at Ultralow Temperatures”為題在Cell旗下國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Reports Physical Science上發(fā)表。該工作在超低燒結(jié)溫度下開(kāi)發(fā)出具有超高熱導(dǎo)率的微波介質(zhì)陶瓷，為高頻高速通訊電路的發(fā)展提供重要技術(shù)支撐和發(fā)展動(dòng)力。
微波介質(zhì)陶瓷作為電容器、基板、諧振器和濾波器等被動(dòng)電子元器件的首選材料，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通訊、智能駕駛、電動(dòng)汽車、航空航天和衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。一方面，在制備過(guò)程中，為了滿足器件小型化的需求，微波介質(zhì)陶瓷通常需與Ag或者Al等金屬電極共燒，這要求微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度必須低于金屬電極的熔點(diǎn)；另一方面，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件功率密度成倍增加，這要求微波介質(zhì)陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率。在此背景下，開(kāi)發(fā)可低溫?zé)Y(jié)的高熱導(dǎo)率微波介質(zhì)陶瓷具有重要的理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，由于高熱導(dǎo)率陶瓷一般具有強(qiáng)化學(xué)鍵、簡(jiǎn)單晶格和輕原子特征，它們的燒結(jié)溫度通常很高。目前，低溫下很難燒結(jié)出高熱導(dǎo)率的陶瓷，最大熱導(dǎo)率不超過(guò)15 W m-1?K-1，顯著落后于常規(guī)高溫?zé)Y(jié)陶瓷。
在此工作中，研究團(tuán)隊(duì)引入高熱導(dǎo)率的六方氮化硼片，通過(guò)調(diào)控組分和壓力以形成高度取向陶瓷結(jié)構(gòu)，在150°C的超低燒結(jié)溫度下制備了超高熱導(dǎo)率的陶瓷。該工藝制備的氮化硼基陶瓷具有高的相對(duì)密度97%，超過(guò)或匹配其他燒結(jié)工藝制備的氮化硼基陶瓷，例如：等離子燒結(jié)、傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)和熱壓燒結(jié)。BN片的高取向度和高相對(duì)密度，導(dǎo)致建立高效聲子傳輸通道，使得熱導(dǎo)率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的42 W m-1?K-1，超過(guò)目前所有的低燒結(jié)溫度陶瓷，甚至可以與1500°C以上高溫?zé)Y(jié)陶瓷相媲美。
圖1?LMO-BN復(fù)合材料的制備及結(jié)構(gòu)表征
圖2?LMO-BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能
該工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真和模擬相結(jié)合的方式深入探究了高熱導(dǎo)率的內(nèi)在形成機(jī)制。通過(guò)電子顯微鏡在微觀尺度下發(fā)現(xiàn)氮化硼片發(fā)生了取向，進(jìn)一步通過(guò)X射線衍射數(shù)據(jù)計(jì)算氮化硼的取向度和氮化硼與XY面的夾角證明氮化硼發(fā)生了取向。此外，針對(duì)該熱導(dǎo)率無(wú)法為傳統(tǒng)導(dǎo)熱模型所理解的問(wèn)題，建立了一種復(fù)合材料取向熱導(dǎo)模型。該模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合，從理論上進(jìn)一步闡釋了取向結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率之間的內(nèi)在聯(lián)系。
圖3?BN的取向度和本研究提出的導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型
該工作不僅具有高的熱導(dǎo)率，而且具有優(yōu)異的微波性能。與目前具有代表性文獻(xiàn)報(bào)道的材料以及廣泛商用材料對(duì)比，該工作具有優(yōu)異的綜合性能，在微波/毫米波通信設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用
前景。
圖4?LMO-BN復(fù)合材料的微波性能
南方科技大學(xué)材料系博士研究生陳乃超為論文的第一作者，南科大材料系博士后李立為論文共同第一作者。南科大材料系汪宏講席教授為論文的通訊作者。南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。南科大材料系劉瑋書教授、研究助理教授徐信未、博士研究生程進(jìn)和碩士研究生王程遠(yuǎn)參與了該項(xiàng)研究。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目及深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424001176
原文鏈接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202403/44901.html
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