中國粉體網(wǎng)訊  氮化鋁陶瓷確實(shí)是個(gè)好材料，它憑借高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、高電阻、低密度、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械性能良好、無毒等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、大規(guī)模集成電路等重要領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢。

其中高熱導(dǎo)率是氮化鋁陶瓷的“招牌”，AlN陶瓷理論導(dǎo)熱率高達(dá)320W·m^-1·K^-1，而在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論導(dǎo)熱量數(shù)值。我們知道，氮化鋁屬于共價(jià)化合物，其熱傳導(dǎo)是依靠晶格振動來實(shí)現(xiàn)。晶格振動的能量是量子化的，熱傳導(dǎo)可以看作連續(xù)性的非諧振彈性波通過聲子或熱能與聲子相互作用的量子來傳播。氧與AlN有較強(qiáng)的親合力，它會固溶到AlN的點(diǎn)陣中，近而形成鋁空位。晶格呈現(xiàn)出非諧性，影響散射聲子，引發(fā)熱導(dǎo)率惡化。另外，AlN熔點(diǎn)大于2200℃，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，難以致密燒結(jié)，氣孔會降低聲子平均自由程。所以，盡管氮化鋁的理論熱導(dǎo)率較為理想，但由于雜質(zhì)和缺陷的存在使實(shí)際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。

因此，要想提高熱導(dǎo)率，兩個(gè)關(guān)鍵難題必須解決：一是降低氧雜質(zhì)原子的存在；二是實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)。

解決的主要辦法除了提高氮化鋁粉體純度以外，在燒結(jié)過程中也有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意，那就是添加燒結(jié)助劑和選擇合適的燒結(jié)方式。

燒結(jié)方式的選擇

氮化鋁陶瓷常用的燒結(jié)技術(shù)有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)等。其中無壓燒結(jié)是陶瓷燒結(jié)中最簡單也是最常見的一種燒結(jié)方法，但它必須配合燒結(jié)助劑完成燒結(jié)過程。熱壓燒結(jié)有助于顆粒的接觸擴(kuò)散和流動傳質(zhì)過程的進(jìn)行，從而降低燒結(jié)溫度和氣孔率。放電等離子燒結(jié)體內(nèi)每個(gè)顆粒均勻的自身發(fā)熱使顆粒表面活化，因而具有很高的熱導(dǎo)率，可在短時(shí)間內(nèi)使燒結(jié)體致密化。微波燒結(jié)是一種新型、高效的燒結(jié)技術(shù)，具有傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性。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。

添加助燒劑

燒結(jié)助劑為某些稀土金屬、堿土金屬和堿金屬等的化合物，例如：Y₂O₃、CaO、CaF₂、Li₂O等。在燒結(jié)體系引入燒結(jié)助劑后，一方面，它可與AlN粉末表面的氧化鋁反應(yīng)，形成低熔物，產(chǎn)生液相，利用液相傳質(zhì)促進(jìn)燒結(jié)，提高材料的致密度；另一方面，燒結(jié)助劑與氧雜質(zhì)反應(yīng)，在晶界以Y-Al₂O₃和Ca-Al₂O₃化合物的形式析出，降低AlN晶格的氧含量，起到純化晶格的作用，從而提高AlN燒結(jié)體的熱導(dǎo)率。

1、燒結(jié)助劑的選擇原則

選擇AlN陶瓷燒結(jié)助劑應(yīng)遵循以下原則:

2、常用的低溫復(fù)合燒結(jié)助劑體系

（1）Y₂O₃-CaO體系

表：不同燒結(jié)助劑體系燒結(jié)的AlN陶瓷材料的物理性能

（2）Y₂O₃-CaO-Li₂O系

（3）CaF₂-Y₂O₃系

以CaF₂-Y₂O₃為燒結(jié)助劑，會發(fā)生如下反應(yīng)：

在燒結(jié)過程中，AlF₃升華，Ca-N化合物以氣態(tài)的形式從AlN陶瓷排出。最終，晶界相以鋁酸鹽相為主。

研究表明，以CaF₂-Y₂O₃做助燒劑，添加劑的總量一定(4wt%)的情況下，含3wt%的CaF₂的AlN陶瓷具有最高的熱導(dǎo)率。

（4）CaF₂-YF₃系

YF₃不引入氧，且比Y₂O₃有著較低的熔點(diǎn)，因此可作為燒結(jié)助劑被使用。

CaF₂-YF₃體系中，(Ca，Y)F₂固溶體在1200℃的低溫下形成，使得CaYAl₃O₇和CaYAlO₄由于Y₂O₃的缺少而在1650℃仍然難以生成。

因此在高溫下，液態(tài)的(Ca，Y)F₂和Ca-Al-O化合物在AlN顆粒之間流動與重新分布，使得其中的YF₃有充足的機(jī)會與AlN顆粒表面的氧，從而有效地降低了AlN顆粒表面的氧含量，減少了高溫下AlN晶格中氧缺陷的形成。

參考來源：

[1]吳玉彪等.高導(dǎo)熱AlN陶瓷低溫?zé)�結(jié)助劑的研究現(xiàn)狀

[2]馬雪剛等.氮化鋁陶瓷燒結(jié)助劑研究進(jìn)展

[3]王超.低溫?zé)�結(jié)氮化鋁陶瓷燒結(jié)助劑的研究進(jìn)展

[4]張?jiān)?高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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