碳化硅（SiC）陶瓷具有優(yōu)異的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性能和良好的導(dǎo)熱性能，是嚴(yán)苛工況下熱交換器的理想材料。在核能、太陽(yáng)能、煤電等關(guān)鍵領(lǐng)域，SiC陶瓷發(fā)揮著重要作用，為推動(dòng)節(jié)能減排、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了重要技術(shù)支撐。當(dāng)前，開(kāi)發(fā)具有更高熱導(dǎo)率的SiC陶瓷材料已成為提升節(jié)能效率的緊迫需求。理論上，SiC單晶的熱導(dǎo)率可達(dá)490 W/mK，但實(shí)際上，受晶格缺陷、雜質(zhì)元素以及晶界殘留相的影響，SiC陶瓷的熱導(dǎo)率通常介于30-270 W/mK之間。尤其因晶格氧雜質(zhì)引發(fā)的強(qiáng)烈聲子散射效應(yīng)，是公認(rèn)的制約SiC陶瓷熱導(dǎo)率提升的關(guān)鍵因素。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所浙江省全省數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高安全能源材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自2023年起，錨定高熱導(dǎo)率SiC陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)展系統(tǒng)性攻關(guān)研究，在該方向上取得了一系列具有重要價(jià)值的創(chuàng)新成果。

研究團(tuán)隊(duì)提出以β-SiC為原料，結(jié)合Y₂O₃-MgO復(fù)合添加劑，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)SiC陶瓷的β→α相變調(diào)控與微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當(dāng)燒結(jié)溫度從1850 ℃升至2050 ℃時(shí)，SiC的β→α相變趨于完成，晶粒尺寸顯著增大（中位粒徑從0.53 μm增至2.41 μm），晶格氧含量由0.34 wt%降至0.08 wt%。β/α異相晶界的消除使聲子散射大幅減少，較傳統(tǒng)α-SiC原料制備的陶瓷提升61.9%，使熱導(dǎo)率從126 W/mK躍升至204 W/mK。該成果揭示了相變驅(qū)動(dòng)晶粒生長(zhǎng)與晶格氧雜質(zhì)排出的關(guān)鍵機(jī)制，為制備高熱導(dǎo)率SiC陶瓷提供了新思路。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究稀土氧化物（RE₂O₃）與MgO復(fù)合添加劑對(duì)晶界液相性質(zhì)的調(diào)控規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，稀土陽(yáng)離子（RE³⁺）半徑減小可增強(qiáng)其場(chǎng)強(qiáng)（z/r²），從而優(yōu)化液相粘度與熱穩(wěn)定性。以Yb₂O₃-MgO為例，得益于Yb³⁺適中的陽(yáng)離子場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到2050 ℃時(shí)，該體系不僅能有效限制Yb-Si-Mg-O液相揮發(fā)，還能顯著促進(jìn)β→α相變進(jìn)程與晶粒的選擇性生長(zhǎng)。最終獲得最大晶粒尺寸為8.51 μm、最低晶格氧含量為0.04 wt%、無(wú)β/α異相晶界的理想結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率高達(dá)229 W/mK，刷新了同類添加劑體系的性能紀(jì)錄。

基于上述系列研究成果，研究團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)并發(fā)表了綜述論文“Research progress on high-thermal-conductivity silicon carbide ceramics”，系統(tǒng)梳理了高熱導(dǎo)率SiC陶瓷領(lǐng)域的研究脈絡(luò)與前沿動(dòng)態(tài)，并凝練提出兩大核心優(yōu)化策略：一是聚焦微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，通過(guò)降低晶格氧雜質(zhì)含量、促進(jìn)晶粒尺寸增長(zhǎng)、減少非晶態(tài)晶界相占比，可實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率的顯著提升；二是強(qiáng)調(diào)原料與工藝協(xié)同優(yōu)化，選用高純度β-SiC粉體，搭配無(wú)鋁燒結(jié)助劑體系（如Y₂O₃-Sc₂O₃），并結(jié)合高溫?zé)Y(jié)工藝（溫度＞2050 ℃）與適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，是突破熱導(dǎo)率瓶頸的關(guān)鍵路徑。