曾宇平课题组：高导热氮化硅陶瓷研究中取得系列进展

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电子电力器件在高速铁路、新能源汽车、航空航天、太阳能及风力发电等领域有着广泛的应用。近年来，电子电力器件朝大功率、高密度、集成化等方向发展，对器件中陶瓷散热基板提出了更高要求。目前常用的氧化铝基板热导率低，氮化铝基板可靠性差，限制了其在高端功率半导体器件中的应用。氮化硅陶瓷基板具有高强度、高韧性、高绝缘、高热导率、高可靠性及与芯片匹配的热膨胀系数等优点，是一种综合性能最优的基板材料，应用前景广阔。

通过液相组分的调控实现陶瓷性能的调控机理示意图

　　中国科学院上海硅酸盐研究所曾宇平研究员团队面向高性能氮化硅陶瓷材料开展了一系列工作。针对α-Si3N4原料粉体表面氧含量高，提出“碳热还原”、“硅热还原”、“金属热还原”等方法消耗或转化表面氧；开发出金属氢化物、硅化物、硼化物等新型非氧化物助剂以替代传统氧化物烧结助剂，利用“溶解-析出”机制，通过对液相组分的调节实现对氮化硅陶瓷显微结构、晶界相组成、晶格氧含量的调控。研究发现表面氧的移除及非氧化物助剂的使用有利于“缺氧-富氮”液相的形成。液相中高N/O比有利于α→β相变和晶粒生长；低SiO2活度阻碍了晶格氧的形成，从而实现热学-力学性能的同步改善。制备出的氮化硅陶瓷热导率经第三方检测最优可达136.9 W/(m·K)。以上工作为高导热氮化硅陶瓷液相烧结过程中晶界相、晶格氧调控提供了设计思路。相关成果相继发表于
　　J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.16902;
　　J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.17271;
　　J Am Ceram Soc, doi: /10.1111/jace.17282；
　　J Eur Ceram Soc, doi: /10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.005；
　　J Eur Ceram Soc, doi:/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.023；
　　J Alloy Compd, doi://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157451；
　　J Alloy Compd, doi://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152203.
　　该工作得到了国家重点研发计划、中科院科技服务网络计划（STS计划）、中科院重点部署、上海市科委科研计划项目等科研项目的资助。相关工作第一作者为上海硅酸盐所2016级直博生王为得，导师为曾宇平研究员。 　
　  
        文章来源：上海硅酸盐所
        曾宇平 ，男， 上海硅酸盐所研究员 ，1965年生 ，1998年中科院上海硅酸盐研究所毕业，获工学博士学位。 1998.6～2005.3先后在德国University Erlangen-Nuremberg，日本工业技术研究院九州工业技术所，德国Max-Planck Institute for Metals Research及日本产业综合技术研究名古屋研究中心从事研究工作。目前主要研究方向和兴趣：（1）多孔陶瓷材料在环境保护中的应用，（2）新型多孔生物活性陶瓷材料，（3）结构功能一体化多孔透波材料，（4）强磁场下纳米材料的合成及其性能。