中國(guó)粉體網(wǎng)訊  作為一種人工合成的材料，氮化鋁陶瓷的制備過程通常是先合成氮化鋁粉體，再將得到的粉體燒結(jié)制備成陶瓷。由于氮化鋁中的鋁-氮鍵（Al-N）具有較高的共價(jià)鍵成分，所以氮化鋁的熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)活性低，因此是一種難燒結(jié)的陶瓷材料。據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，當(dāng)氮化鋁粉體純度較高時(shí)，非常難以通過燒結(jié)達(dá)到完全致密，在陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在，這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實(shí)際應(yīng)用。

氮化鋁的燒結(jié)溫度通常在1800℃以上，為降低生產(chǎn)成本，低溫?zé)�結(jié)已成為氮化鋁陶瓷新的研究方向，低溫?zé)�結(jié)是指1600~1700℃間實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)。影響氮化鋁陶瓷燒結(jié)的因素有很多，據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，大體可分為兩種。一種是內(nèi)因，即粉體的粒度、分布、形狀、表面狀態(tài)，粉體的雜質(zhì)種類與含量等；另一種是外因，即燒結(jié)方式，包括：所使用的燒結(jié)添加劑和燒結(jié)時(shí)所使用的工藝與設(shè)備等。

（圖片來源：Tokuyama）

超細(xì)粉體

在燒結(jié)過程中，AlN粉體顆粒在粘合作用下相互靠攏，鍵合，重排，最終相互融合長(zhǎng)大成為大晶粒。這些連續(xù)均勻的晶粒會(huì)為聲子的傳播提供更加直接的通道，從而增強(qiáng)AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。超細(xì)AlN粉體由于其高的比表面積，會(huì)在燒結(jié)的過程中增加燒結(jié)的推動(dòng)力，加速燒結(jié)的過程。此外，粉體的尺寸變小也就意味著物質(zhì)的擴(kuò)散距離變短，高溫下有利于液相物質(zhì)的生成，極大地加強(qiáng)了流動(dòng)傳質(zhì)作用

中國(guó)粉體網(wǎng)編輯從已有的實(shí)驗(yàn)了解，研究人員使用納米氮化鋁粉制備了氮化鋁陶瓷，經(jīng)測(cè)定其密度達(dá)到3.26g/cm³，研究中還指出，致密度的提高對(duì)燒結(jié)助劑的純化作用有著積極影響。

添加燒結(jié)助劑

引入合適的燒結(jié)助劑，一方面可以與AlN表面氧化形成的Al₂O₃反應(yīng)生成較低熔點(diǎn)的第二相，由于液相表面的張力作用，促進(jìn)AlN晶粒的重排，加速燒結(jié)體致密化進(jìn)程。另一方面形成的第二相冷卻后，淀析凝結(jié)在晶界上，減少了高溫下氧進(jìn)入晶格的可能，起到凈化晶格，提高熱導(dǎo)率的作用。

目前常用的燒結(jié)助劑主要為氧化物和氟化物，氧化物主要為Y₂O₃，Sm₂O₃，La₂O₃，Dy₂O₃，CaO；而氟化物有CaF₂，YF₃等。其中Y₂O₃驅(qū)氧能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好等綜合性能優(yōu)越，成為最常用的燒結(jié)助劑；而CaO由于液相形成溫度較低，在低溫?zé)�結(jié)中的作用比較明顯。此外，據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，對(duì)多種燒結(jié)助劑的復(fù)合添加的研究，也獲得廣泛關(guān)注。

添加大量的燒結(jié)助劑一方面能夠降低燒結(jié)溫度，但引入的晶界相的熱導(dǎo)率大大低于AlN主晶相，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)體熱導(dǎo)率的下降，因此應(yīng)合理控制燒結(jié)助劑的添加量。

燒結(jié)工藝與設(shè)備

AlN陶瓷燒結(jié)工藝主要有：常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)等。

常壓燒結(jié)

常壓燒結(jié)是一種燒結(jié)過程不施加任何額外壓力的燒結(jié)方法，分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，AlN陶瓷單純的固相燒結(jié)難以燒結(jié)致密，一般選用液相燒結(jié)。液相燒結(jié)由顆粒重排、氣孔減少和晶粒生長(zhǎng)等過程組成，其傳質(zhì)方式包括流動(dòng)傳質(zhì)和溶解-沉淀傳質(zhì)，固相燒結(jié)的傳質(zhì)方式主要為擴(kuò)散傳質(zhì)，而流動(dòng)傳質(zhì)的速率比擴(kuò)散傳質(zhì)快，因此液相燒結(jié)可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)坯體的致密化過程，且速率比固相燒結(jié)高。

周和平等用相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備在高于1800°C的燒結(jié)溫度下獲得了氮化鋁陶瓷，其密度高達(dá)3.26g/cm³，熱導(dǎo)率達(dá)189 W·m^-1·K^-1。但該方法所需的燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，能耗較高，而且制備出的燒結(jié)體密度較低，晶粒大小不均勻，晶界處可觀察到較多的塊狀第二相。

熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是一種在燒結(jié)過程中單向施加額外壓力的燒結(jié)方法。在外力的驅(qū)動(dòng)下，熱壓燒結(jié)的燒結(jié)溫度可比常壓燒結(jié)低200℃以上，且燒結(jié)時(shí)間得以大大縮短。同時(shí)熱壓燒結(jié)制備得到的氮化鋁燒結(jié)體的晶粒細(xì)小且分布均勻，晶粒異�，F(xiàn)象不明顯。但是相比于常壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)的成本大大增加，裝模比較復(fù)雜。

有研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鋁坯體置于1700°C，30MPa的燒結(jié)環(huán)境中保溫1h，能夠制得致密度為97.2%的氮化鋁陶瓷。然而這種方法存在能耗高，燒結(jié)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品晶粒粗大，成分不均勻，只能燒結(jié)形狀簡(jiǎn)單的氮化鋁陶瓷材料等問題。

高壓燒結(jié)

為解決氮化鋁晶粒大小不均，且難以燒結(jié)致密的問題，一些研究者采用壓強(qiáng)超過1.0GPa的高壓燒結(jié)法或者使用高壓氣體作為傳壓介質(zhì)的熱等靜壓燒結(jié)法對(duì)氮化鋁進(jìn)行燒結(jié)。據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯的了解，高壓燒結(jié)法能夠降低燒結(jié)溫度，防止晶粒生長(zhǎng)過大，提高燒結(jié)體致密度。

有實(shí)驗(yàn)表明，使用六面頂壓機(jī)，在壓力為5.0GPa，燒結(jié)溫度為1200°C的條件下制備出了具有細(xì)小晶粒的氮化鋁陶瓷，陶瓷的致密度達(dá)到95.3%。但是這種方法需要在比較極端的高壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求較高，一般不容易實(shí)現(xiàn)，而且得到的陶瓷晶粒形貌和晶界相不明顯，含有較多的Al-O-N雜相。

熱等靜壓燒結(jié)法

熱等靜壓燒結(jié)法是以氣體傳遞壓強(qiáng)、并同時(shí)在高溫下進(jìn)行致密化的燒結(jié)方法，通常在1000°C以上的高溫下進(jìn)行，通過密封環(huán)境中的高壓保護(hù)氣體向陶瓷坯體傳遞壓力，設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部氣壓高達(dá)200MPa。在溫度場(chǎng)與力場(chǎng)的共同作用下，陶瓷坯體的各方向均衡受壓。因此采用該法制備的產(chǎn)品致密度高、均勻性好，具有優(yōu)異的性能。而且該技術(shù)所需生產(chǎn)周期短，具有工序簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn)。

據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，有研究人員通過采用熱等靜壓燒結(jié)法，在2773K的高溫下，制備了不添加燒結(jié)助劑的氮化鋁陶瓷，得到的陶瓷晶粒尺寸為4μm，熱導(dǎo)率為155W·m^-1·K^-1。

微波燒結(jié)

微波燒結(jié)是利用某些特殊的微波波段與目標(biāo)材料的本質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而振動(dòng)產(chǎn)生熱量，介質(zhì)損耗使材料整體加熱而達(dá)到燒結(jié)溫度，并迅速致密的方法。該方法具有整體加熱、升溫效率高、致密化迅速等特點(diǎn)。

有研究人員采用微波燒結(jié)法，使用高純度的氮化鋁微粉，不引入燒結(jié)添加劑，在燒結(jié)溫度1700°C、保溫時(shí)間2h的低溫工藝條件下制備出致密度為99.7%的氮化鋁陶瓷。然而據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，微波燒結(jié)在操作時(shí)難以準(zhǔn)確控制溫度，容易發(fā)生局部加熱的情況，難以保證樣品的均勻性。

雖然不添加任何燒結(jié)助劑的微波燒結(jié)法被認(rèn)為是一條獲得AlN透明陶瓷非常有前途的低成本化技術(shù)途徑，但是受微波燒結(jié)設(shè)備的限制，通常也很難獲得較低的燒結(jié)溫度。

放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)是將原料粉體直接裝入石墨或金屬等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用壓頭施加的壓力及電極所通電流使粉體升溫?zé)�結(jié)，經(jīng)放電升溫、熱塑成型和水循環(huán)冷卻的步驟制備高性能材料的一種燒結(jié)技術(shù)。具有通電流燒結(jié)的特點(diǎn)，加壓產(chǎn)生的力場(chǎng)與脈沖電流產(chǎn)生的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)有促進(jìn)燒結(jié)的作用。同時(shí)設(shè)備所使用的高電流與低電壓，能使粉體實(shí)現(xiàn)迅速致密化，有效地抑制晶粒生長(zhǎng)過大，降低燒結(jié)溫度。

劉軍芳等采用放電等離子燒結(jié)制備了致密度為99.5%的AlN陶瓷樣品，過程中未添加任何燒結(jié)助劑，且得到的樣品晶粒形狀規(guī)則、大小均勻、排列緊密。李淘采用純的AlN粉在1800℃下保溫15 min得到致密度為97.5%的燒結(jié)體；而添加Y₂O₃或Sm₂O₃可顯著促進(jìn)AlN的燒結(jié)，采用100℃/min的升溫速率，在1650～1700℃下保溫5 min均可得到接近理論密度的試樣，比同樣燒結(jié)條件下的純AlN提高了10%以上。由此可見，放電等離子燒結(jié)和引入燒結(jié)助劑均有利于AlN粉體的燒結(jié)。

等離子活化燒結(jié)

等離子活化燒結(jié)是一種類似于放電等離子燒結(jié)的技術(shù)，集等離子體活化、加壓、通電升溫于一身。該方法不僅具有放電等離子燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，如快速致密化，高自動(dòng)化，燒結(jié)樣品顆粒均勻、細(xì)小等，還具有原位凈化這一特點(diǎn)。

在升溫過程開始之前，燒結(jié)設(shè)備將直流脈沖電壓施加在粉體顆粒間的空隙中，導(dǎo)致顆粒間充滿瞬時(shí)的分散等離子體，這種等離子體能加快物質(zhì)的擴(kuò)散和遷移，在設(shè)備的負(fù)壓環(huán)境下，迅速去除粉體顆粒表面的一些吸附雜質(zhì)及氣體，達(dá)到對(duì)原料粉體的原位清潔作用。

國(guó)外研究者采用該方法在1800°C下燒結(jié)高純度的氮化鋁亞微粉，得到了晶粒結(jié)合緊密、晶界干凈的氮化鋁陶瓷。等離子活化燒結(jié)與放電等離子燒結(jié)具有高效能、快速致密等特點(diǎn)，且在清潔作用上，等離子活化燒結(jié)相較而言更具優(yōu)越性與發(fā)展?jié)摿Α?br/>

參考來源：

王丹丹：氮化鋁陶瓷的等離子活化燒結(jié)，材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2017

陳淑文：AlN粉體的合成與燒結(jié)機(jī)制研究，浙江工業(yè)大學(xué)2015

馬丁：適合于導(dǎo)熱基板用AlN粉體的制備與表征，北京交通大學(xué)2019

燕東明，等：高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷研究進(jìn)展，中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所2011

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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