热压烧结氮化硅陶瓷固定盘轻量化设计与能效优化

——高热导与低惯性负载协同驱动的技术革新

一、轻量化设计的材料学基础

氮化硅陶瓷（Si₃N₄）凭借其高比强度、耐高温（1200–1400°C）和低热膨胀系数（3.2×10⁻⁶/°C），成为高温设备固定盘的理想材料。然而，传统致密氮化硅的密度（热压烧结达3.3 g/cm³）可能导致设备惯性负载过大。为此，研究者通过多孔结构设计实现轻量化：

  • 熔融沉积技术可在1760℃下制备多孔氮化硅，抗弯强度达160 MPa，孔隙率可控以平衡轻量化与力学性能。
  • 凝胶注膜成型通过调节单体与交联剂比例（1:15），使多孔材料抗弯强度提升至193 MPa，同时降低密度。

轻量化设计不仅减少材料用量，还可通过优化固定盘几何结构（如蜂窝状或拓扑镂空）进一步降低质量，从而显著降低设备启停能耗与机械磨损。

二、高热导率特性的实现路径

氮化硅陶瓷的热导率提升依赖于晶格氧含量控制与烧结助剂优化：

  1. 晶格氧控制：氧原子固溶于晶格会导致声子散射，降低热导率。采用高纯度α-Si₃N₄原料（氧含量＜1 wt%）或硅粉氮化工艺，可减少氧杂质引入。
  2. 烧结助剂创新
    • 稀土氧化物（Y₂O₃）：添加0.5 wt% Y₂O₃即可显著提升致密度，热导率达20-30 W/(m·K)。但过量Y₂O₃会形成低导热晶界相，需精确调控添加比例。
    • 非氧化物助剂（Y/MgO）：以金属Y替代Y₂O₃，可减少氧含量，使热导率提升至80-100 W/(m·K)。例如，4 wt% Y与3 wt% MgO协同作用时，热导率较传统工艺提升40%。
    • 复合助剂（CeO₂+Yb₂O₃）：7 mol% CeO₂添加量下，热导率达80.12 W/(m·K)，同时弯曲强度为718 MPa，实现性能均衡。

三、热压烧结工艺的能效优势与挑战

热压烧结通过机械压力驱动致密化，可在较低温度（1450–1800°C）下获得近零孔隙率材料，其优势包括：

  • 高热导率与力学性能：热压氮化硅热导率通常为20–25 W/(m·K)，但通过助剂优化可突破至80 W/(m·K)，且抗弯强度超1000 MPa。
  • 能耗优化：高热导率特性使热量快速均匀传导，减少局部过热风险，从而降低加热系统能耗。

然而，热压烧结存在形状限制与成本问题，仅适用于简单结构件。为此，结合气压烧结（GPS）或放电等离子烧结（SPS）可实现复杂部件的低成本量产，例如SPS工艺在50 MPa压力下可制备纳米晶氮化硅，抗蠕变性能提升40%。