被埋怨的陶瓷?它为什么“不受待见”?


来源:中国粉体网   山林

[导读]  被埋怨的陶瓷?它为什么“不受待见”?

其实,片面的讲这个陶瓷不受待见,是不正确的。


今天,让我们一起来了解一下氧化铍陶瓷。


什么是氧化铍?


BeO晶体为纤锌矿型结构,单胞为立方晶系,具有很强的共价键。室温下BeO以α-BeO相存在,是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构,其它碱土金属氧化物(MgO,CaO,SrO,BaO等)则为NaCl型结构。BeO晶体结构中,每个Be原子与4个O原子形成四面体,或者每个O原子与4个Be原子形成四面体。


BeO的晶体结构

a.六方纤锌矿结构b.四方纤锌矿结构


氧化铍陶瓷的卓越性能


陶瓷材料作为技术革命的新材料,早在十几年前就引起了美国的关注。近年来,由于日本、美国、欧洲的竞相研究,陶瓷材料技术得到迅速发展。作为能适应各种环境的新型结构材料,陶瓷材料已步入了实用化阶段。


氧化铍陶瓷的性能可以分为热性能、电性能、核性能、力学性能、化学性能等,在电子工业中,常用来考核氧化铍陶瓷的性能有体积密度、气密性、透液性、抗折强度、抗热震性、线膨胀系数、热导率、介电常数、体积电阻率、击穿强度、以及耐酸、碱化学性能等12项。


BeO陶瓷材料的典型性能



BeO陶瓷的热性能


在导体中,热导率是自由电子起决定性作用,导体的热导率一般数值很大,但绝缘性能差。而一般陶瓷的热导率主要是靠原子、离子或分子的热振动,导热能力差,但绝缘性好,只有像氧化铍陶瓷这样的材料是靠声子来导热,既能有高的热导性,又能有高的绝缘性。BeO陶瓷的热导率在目前所有实用的陶瓷材料中是最高的,是致密Al2O3的6倍-7倍以及MgO的3倍。纯度为99%以上,致密度达99%以上的BeO陶瓷,其室温下的热导率可达310W/(m·K)。通常情况下,BeO陶瓷的热导率主要取决于材料的纯度和致密度,纯度和致密度越高,其导热性能越好。


BeO材料的热导率随温度的变化关系模型


BeO陶瓷的电性能


氧化铍陶瓷除了要求较高的热导率外,优良的电性能也是十分重要的。介电常数ε是衡量电介质储存电荷的能力,通常称为电容率,是陶瓷的特征参数。介质损耗角正切值tanδ是陶瓷在电磁场中的功率损耗的一部分,是关键性的特征参数,通过它可以判定陶瓷本身介质损耗的大小,对氧化铍陶瓷在电子器件中的应用非常重要。ε和tanδ值受其化学成分、体积密度、显微结构以及频率和温度等因素的影响。对氧化铍陶瓷,通常是:随着频率的提高,tanδ会增大,而ε变化不大。但有的情况是:随着频率的提高,ε值稍稍变大;或是:随着频率的提高,ε稍稍变小。


氧化铍的广泛应用


在航空航天、电力电子、光电技术和核工业等领域应用广泛。尤其是在需要高导热的大功率器件及电路的应用中,BeO陶瓷是首选材料。


大功率电子器件和集成电路


高的热导率和低的介电常数是BeO陶瓷材料在电子技术领域得到广泛应用的重要原因。BeO陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封装件、高频电子晶体管封装、高电路密度的多片组件。


BeO陶瓷还广泛用于宽带大功率的电子真空器件中,如行波管的输能窗、夹持杆和降压收集极。低的介电常数和损耗有利于获得很好的宽频匹配特性,同时也可减少功率损失。


核反应堆


核能的利用是解决当代能源紧缺的重要途径。利用核能技术,可以获得巨大的能量,以供发电、供热等。核反应堆陶瓷材料是反应堆使用的重要材料之一,在反应堆和聚变堆中,陶瓷材料受到高能粒子和γ射线的辐照,因此,除了耐高温、耐腐蚀外,陶瓷材料还需具备较好的结构稳定性。核燃料的中子反射剂、减速剂(慢化剂)通常采用BeO、B4C或石墨材料。


耐火材料


氧化铍陶瓷作为耐火材料可用于加热元件的耐火支持棒,保护屏蔽、炉衬、热偶管以及阴极、热子加热基板和涂层等。


那为什么氧化铍还会让人闻之色变呢?


那是因为BeO是一种毒性很大的物质,在制造和使用过程中容易对人员安全和环境造成危害,已经被列为致癌物质,而且一些国家和组织对BeO材料的使用也提出了限制。氧化铍陶瓷制作工艺过程中由于有氧化铍粉尘和蒸汽的出现,属一级高毒性。


为保护工人的身体健康,一方面在BeO陶瓷加工中必须做好自身防护,以及必须加装能够处理有毒物质的装备,以免污染环境;另一方面也迫切需要寻求或开发新的无毒陶瓷材料来替代。然而BeO的高热导率和低损耗特性迄今为止是其他陶瓷材料不可比拟的,在追求更高性能及高价值的应用中,仍在使用BeO陶瓷基片。



参考来源:

1.富乐华官网

2.陆琪等,陶瓷基板研究现状及新进展

3.赵世柯等,氧化铍陶瓷材料的性能及应用

4.方梅,氧化铍基HFCVD金刚石薄膜及其热性能的研究

5.李文芳等,氧化铍陶瓷的应用综述


(中国粉体网编辑整理/山林)

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