中國粉體網(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）具有較高的共價鍵成分,，所以氮化鋁的熔點高,，自擴散系數(shù)小，燒結(jié)活性低,，因此是一種難燒結(jié)的陶瓷材料,。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，當(dāng)氮化鋁粉體純度較高時,，非常難以通過燒結(jié)達到完全致密,，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)Y(jié)已成為氮化鋁陶瓷新的研究方向,，低溫?zé)Y(jié)是指1600~1700℃間實現(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，最終相互融合長大成為大晶粒,。這些連續(xù)均勻的晶粒會為聲子的傳播提供更加直接的通道,，從而增強AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。超細(xì)AlN粉體由于其高的比表面積,，會在燒結(jié)的過程中增加燒結(jié)的推動力,，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)的擴散距離變短,，高溫下有利于液相物質(zhì)的生成，極大地加強了流動傳質(zhì)作用
中國粉體網(wǎng)編輯從已有的實驗了解,，研究人員使用納米氮化鋁粉制備了氮化鋁陶瓷,，經(jīng)測定其密度達到3.26g/cm3，研究中還指出,，致密度的提高對燒結(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)生成較低熔點的第二相,，由于液相表面的張力作用,，促進AlN晶粒的重排，加速燒結(jié)體致密化進程,。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,，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)Y(jié)中的作用比較明顯。此外,，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解,，對多種燒結(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等過程組成，其傳質(zhì)方式包括流動傳質(zhì)和溶解-沉淀傳質(zhì),，固相燒結(jié)的傳質(zhì)方式主要為擴散傳質(zhì),，而流動傳質(zhì)的速率比擴散傳質(zhì)快，因此液相燒結(jié)可在較低溫度下實現(xiàn)坯體的致密化過程,，且速率比固相燒結(jié)高,。
周和平等用相對簡單的設(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3.26g/cm3,，熱導(dǎo)率達189 W·m-1·K-1,。但該方法所需的燒結(jié)溫度高,、燒結(jié)時間長，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)時間得以大大縮短,。同時熱壓燒結(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，產(chǎn)品晶粒粗大,，成分不均勻,，只能燒結(jié)形狀簡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)法對氮化鋁進行燒結(jié)。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解,，高壓燒結(jié)法能夠降低燒結(jié)溫度,，防止晶粒生長過大，提高燒結(jié)體致密度,。
有實驗表明,，使用六面頂壓機，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,，陶瓷的致密度達到95.3%。但是這種方法需要在比較極端的高壓下進行,，對設(shè)備要求較高,，一般不容易實現(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,、并同時在高溫下進行致密化的燒結(jié)方法，通常在1000°C以上的高溫下進行,，通過密封環(huán)境中的高壓保護氣體向陶瓷坯體傳遞壓力,，設(shè)備工作時內(nèi)部氣壓高達200MPa。在溫度場與力場的共同作用下,，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，具有工序簡單,、能耗低等特點,。
據(jù)中國粉體網(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)耦合而振動產(chǎn)生熱量，介質(zhì)損耗使材料整體加熱而達到燒結(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,。
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)中國粉體網(wǎng)編輯了解,，微波燒結(jié)在操作時難以準(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)Y(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，加壓產(chǎn)生的力場與脈沖電流產(chǎn)生的電場與溫度場有促進燒結(jié)的作用,。同時設(shè)備所使用的高電流與低電壓,，能使粉體實現(xiàn)迅速致密化，有效地抑制晶粒生長過大,，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,，如快速致密化，高自動化,，燒結(jié)樣品顆粒均勻,、細(xì)小等，還具有原位凈化這一特點,。
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)致顆粒間充滿瞬時的分散等離子體,，這種等離子體能加快物質(zhì)的擴散和遷移,，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,，達到對原料粉體的原位清潔作用,。
國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，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)國家重點實驗室2017
陳淑文：AlN粉體的合成與燒結(jié)機制研究，浙江工業(yè)大學(xué)2015
馬�,。哼m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展,，中國兵器工業(yè)第五二研究所2011
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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