热敏陶瓷的结构（热成型陶瓷从意外到AM）

热敏陶瓷的结构（热成型陶瓷从意外到AM）CMC热成型温度和压力讨论。图片来源：Adv. Mater.CMC材料压制成型过程及应用。图片来源：Adv. Mater.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。CMC材料的制备过程示意图。图片来源：Adv. Mater.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，C

本文来自X-MOLNews

长期“泡”在实验室的小伙伴估计会有一个共识，“实验失败是常态，成功才是意外”。不过，研究者们总是善于从失败中寻找到规律，从意外中发现科学。比如，亚历山大•弗莱明因为一次意外的霉菌污染而发现了青霉素；查尔斯•古德伊尔误把添加了硫磺的橡胶放在暖炉上而发明了硫化橡胶；康斯坦丁•法赫伯格因为饭前没有洗手的巧合而发现了糖精。

近日，美国东北大学Randall M. Erb教授课题组在Advanced Materials 杂志上发表论文，报道了一种可以通过热成型为复杂结构的氮化硼基全陶瓷复合材料（ceramic matrix composite CMC）。这种可热成形加工的材料在实现电绝缘的同时，室温下还表现出优异的机械强度和导热性能。用这种材料热压成型的电子产品散热器件，相比于传统金属散热器件质量更轻且不会干扰射频信号。这种材料用于高密度电子产品的热管理系统，或可改变下一代电子产品的设计和构造。据作者所言，他们的发现其实源自一次“实验的意外失败”。[1]

CMC材料浆料及成型。图片来源：美国东北大学 [1]

Randall Erb课题组此前承担了一项超高音速材料相关的工业项目，准备测试一种陶瓷材料。他们用喷灯加热该材料，不过在将材料样品装载到固定装置时意外发生了，材料掉了下来。“我们看着掉在地板上的样品，感觉这次实验算是失败了。”Randall Erb说 [1]。一般情况下，当陶瓷材料承受较大热冲击及机械负载时，往往会发生破裂，甚至爆炸。“然而，当我们捡起它时，却发现其完好无损，只是形状发生了改变。”这一发现让他们很是惊喜，随后又反复测试了几次，发现竟然可以很简单地控制这种形变，通过热压成型，大众印象中“脆性”陶瓷材料就可制成具有复杂形状的结构件。

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。

CMC材料的制备过程示意图。图片来源：Adv. Mater.

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。

CMC材料压制成型过程及应用。图片来源：Adv. Mater.

CMC热成型温度和压力讨论。图片来源：Adv. Mater.

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）。

热成型全陶瓷散热片的散热性能。图片来源：Adv. Mater.

“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”，Jason Bice（论文一作）说。“陶瓷材料不会干扰手机和其他系统的射频信号”，Randall Erb补充说。目前，Erb和Bice成立了Fourier LLC初创公司，来开发这一产品。[2]

Thermoformable Boron Nitride Based All-Ceramics

Jason E. Bice Echo St. Germain Samuel J. Wohlever Grace Goddard Randall M. Erb

Adv. Mater. 2022 34 2203939 DOI: 10.1002/adma.202203939

参考文献：

[1] Will an unexpected Northeastern lab finding lead to ‘a new frontier’ for electronics design?

https://news.northeastern.edu/2022/10/06/electronic-designs/

[2] A Lab Accident Might Lead to New Frontier in Electronics Design

https://coe.northeastern.edu/news/a-lab-accident-might-lead-to-new-frontier-in-electronics-design/

（本文由小希供稿）