近日，南方科技大學材料科學與工程系汪宏講席教授課題組在微波介質陶瓷領域取得重要進展，相關研究成果以“All-Ceramics with Ultrahigh Thermal Conductivity and Superior Dielectric Properties Created at Ultralow Temperatures”為題在Cell旗下國際學術期刊Cell Reports Physical Science上發表。該工作在超低燒結溫度下開發出具有超高熱導率的微波介質陶瓷，為高頻高速通訊電路的發展提供重要技術支撐和發展動力。

微波介質陶瓷作為電容器、基板、諧振器和濾波器等被動電子元器件的首選材料，被廣泛應用于無線通訊、智能駕駛、電動汽車、航空航天和衛星通訊等領域。一方面，在制備過程中，為了滿足器件小型化的需求，微波介質陶瓷通常需與Ag或者Al等金屬電極共燒，這要求微波介質陶瓷的燒結溫度必須低于金屬電極的熔點；另一方面，隨著信息技術的快速發展，電子器件功率密度成倍增加，這要求微波介質陶瓷具有更高的熱導率。在此背景下，開發可低溫燒結的高熱導率微波介質陶瓷具有重要的理論研究與實際應用價值。然而，由于高熱導率陶瓷一般具有強化學鍵、簡單晶格和輕原子特征，它們的燒結溫度通常很高。目前，低溫下很難燒結出高熱導率的陶瓷，最大熱導率不超過15 W m-1?K-1，顯著落后于常規高溫燒結陶瓷。

在此工作中，研究團隊引入高熱導率的六方氮化硼片，通過調控組分和壓力以形成高度取向陶瓷結構，在150°C的超低燒結溫度下制備了超高熱導率的陶瓷。該工藝制備的氮化硼基陶瓷具有高的相對密度97%，超過或匹配其他燒結工藝制備的氮化硼基陶瓷，例如：等離子燒結、傳統高溫燒結和熱壓燒結。BN片的高取向度和高相對密度，導致建立高效聲子傳輸通道，使得熱導率達到創紀錄的42 W m-1?K-1，超過目前所有的低燒結溫度陶瓷，甚至可以與1500°C以上高溫燒結陶瓷相媲美。

圖1?LMO-BN復合材料的制備及結構表征

圖2?LMO-BN復合材料的導熱性能

該工作通過實驗、仿真和模擬相結合的方式深入探究了高熱導率的內在形成機制。通過電子顯微鏡在微觀尺度下發現氮化硼片發生了取向，進一步通過X射線衍射數據計算氮化硼的取向度和氮化硼與XY面的夾角證明氮化硼發生了取向。此外，針對該熱導率無法為傳統導熱模型所理解的問題，建立了一種復合材料取向熱導模型。該模型結果與實驗數據良好吻合，從理論上進一步闡釋了取向結構和熱導率之間的內在聯系。

圖3?BN的取向度和本研究提出的導熱預測模型

該工作不僅具有高的熱導率，而且具有優異的微波性能。與目前具有代表性文獻報道的材料以及廣泛商用材料對比，該工作具有優異的綜合性能，在微波/毫米波通信設備中具有廣闊的應用

前景。

圖4?LMO-BN復合材料的微波性能

南方科技大學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、博士研究生程進和碩士研究生王程遠參與了該項研究。該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目、國家重點研發計劃、廣東省重點實驗室項目及深圳市科創委項目的資助。

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

文章來源：南方科技大學

南科大汪宏課題組在微波介質陶瓷領域取得重要進展

近日，南方科技大學材料科學與工程系汪宏講席教授課題組在微波介質陶瓷領域取得重要進展，相關研究成果以“All-Ceramics with Ultrahigh Thermal Conductivity and Superior Dielectric Properties Created at Ultralow Temperatures”為題在Cell旗下國際學術期刊Cell Reports Physical Science上發表。該工作在超低燒結溫度下開發出具有超高熱導率的微波介質陶瓷，為高頻高速通訊電路的發展提供重要技術支撐和發展動力。

微波介質陶瓷作為電容器、基板、諧振器和濾波器等被動電子元器件的首選材料，被廣泛應用于無線通訊、智能駕駛、電動汽車、航空航天和衛星通訊等領域。一方面，在制備過程中，為了滿足器件小型化的需求，微波介質陶瓷通常需與Ag或者Al等金屬電極共燒，這要求微波介質陶瓷的燒結溫度必須低于金屬電極的熔點；另一方面，隨著信息技術的快速發展，電子器件功率密度成倍增加，這要求微波介質陶瓷具有更高的熱導率。在此背景下，開發可低溫燒結的高熱導率微波介質陶瓷具有重要的理論研究與實際應用價值。然而，由于高熱導率陶瓷一般具有強化學鍵、簡單晶格和輕原子特征，它們的燒結溫度通常很高。目前，低溫下很難燒結出高熱導率的陶瓷，最大熱導率不超過15 W m-1?K-1，顯著落后于常規高溫燒結陶瓷。

在此工作中，研究團隊引入高熱導率的六方氮化硼片，通過調控組分和壓力以形成高度取向陶瓷結構，在150°C的超低燒結溫度下制備了超高熱導率的陶瓷。該工藝制備的氮化硼基陶瓷具有高的相對密度97%，超過或匹配其他燒結工藝制備的氮化硼基陶瓷，例如：等離子燒結、傳統高溫燒結和熱壓燒結。BN片的高取向度和高相對密度，導致建立高效聲子傳輸通道，使得熱導率達到創紀錄的42 W m-1?K-1，超過目前所有的低燒結溫度陶瓷，甚至可以與1500°C以上高溫燒結陶瓷相媲美。

圖1?LMO-BN復合材料的制備及結構表征

圖2?LMO-BN復合材料的導熱性能

該工作通過實驗、仿真和模擬相結合的方式深入探究了高熱導率的內在形成機制。通過電子顯微鏡在微觀尺度下發現氮化硼片發生了取向，進一步通過X射線衍射數據計算氮化硼的取向度和氮化硼與XY面的夾角證明氮化硼發生了取向。此外，針對該熱導率無法為傳統導熱模型所理解的問題，建立了一種復合材料取向熱導模型。該模型結果與實驗數據良好吻合，從理論上進一步闡釋了取向結構和熱導率之間的內在聯系。

圖3?BN的取向度和本研究提出的導熱預測模型

該工作不僅具有高的熱導率，而且具有優異的微波性能。與目前具有代表性文獻報道的材料以及廣泛商用材料對比，該工作具有優異的綜合性能，在微波/毫米波通信設備中具有廣闊的應用

前景。

圖4?LMO-BN復合材料的微波性能

南方科技大學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、博士研究生程進和碩士研究生王程遠參與了該項研究。該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目、國家重點研發計劃、廣東省重點實驗室項目及深圳市科創委項目的資助。

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

文章來源：南方科技大學

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