中國粉體網(wǎng)訊  隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展,，人們對材料性能的要求越來越高。AlN陶瓷材料具有高熱導率,、低介電常數(shù),、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、高電阻,、低密度,、熱化學穩(wěn)定性好、機械性能良好,、成本低,、無毒等優(yōu)點，使其在航空航天,、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,，因此受到國內(nèi)外科研工作者和生產(chǎn)廠家越來越廣泛的重視,。

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氮化鋁陶瓷的燒結(jié)難度

AlN屬于共價化合物，自擴散系數(shù)小,，燒結(jié)致密化非常困難,，通常需要使用稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物作為燒結(jié)助劑來促進燒結(jié)，但仍需要1800℃以上的燒結(jié)溫度,。

近幾年，出于減少能耗,、降低成本以及實現(xiàn)AlN與金屬漿料的共同燒結(jié)等因素考慮,，人們開始注意AlN低溫燒結(jié)技術(shù)的研究。所謂低溫燒結(jié)是個相對概念,，指的是將AlN的燒結(jié)溫度降低到1600℃至1700℃之間實現(xiàn)致密度高的燒結(jié),。一般認為，AlN表層的氧是在高溫下才開始向其晶格內(nèi)部擴散,。因此,，低溫燒結(jié)另外一個潛在的有利影響是可以延緩高溫燒結(jié)時表層氧向AlN晶格內(nèi)部擴散，增進后續(xù)熱處理過程中的排氧效果,，有利于制備出高熱導率的陶瓷材料,。

低溫燒結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)是選擇有效的燒結(jié)助劑。

燒結(jié)助劑的作用和作用機理

AlN自擴散系數(shù)小難以燒結(jié),，一般采用添加堿土金屬化合物及稀土鑭系化合物,，通過液相燒結(jié)實現(xiàn)燒結(jié)致密化。燒結(jié)助劑能在燒結(jié)初期和中期顯著促進AlN陶瓷燒結(jié),，并且在燒結(jié)的后期從陶瓷材料中部分揮發(fā),，從而制備純度及致密化程度都較高的AlN陶瓷材料及制品。在此過程中,，助燒劑的種類,、添加方式、添加量等均會對AlN陶瓷材料及制品的結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生顯著程度的影響,。

助燒劑作用過程示意圖

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：

1,、能在較低的溫度下與AlN顆粒表面的氧化鋁發(fā)生共熔，產(chǎn)生液相,，這樣才能降低燒結(jié)溫度,；

2、產(chǎn)生的液相對AlN顆粒有良好的浸潤性,，才能有效起到燒結(jié)助劑作用,；

3、燒結(jié)助劑與氧化鋁有較強的結(jié)合能力,，以除去雜質(zhì)氧,，凈化AlN晶界,；

4、液相的流動性好,，在燒結(jié)后期AlN晶粒生長過程中向三角晶界流動,，而不至于形成AlN晶粒間的熱阻層；

5,、燒結(jié)助劑最好不與AlN發(fā)生反應(yīng),，否則既容易產(chǎn)生晶格缺陷，又難于形成多面體形態(tài)的AlN完整晶形,。

常用的低溫復合燒結(jié)助劑體系

1,、Y₂O₃-CaO體系

采用Y₂O₃-CaO系燒結(jié)助劑的AlN陶瓷常采用常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種工藝制備。常壓燒結(jié)制備的AlN陶瓷的第二相主要是Y₃Al₅O₁₂和Ca₃Y₂O₆,，分布在AlN陶瓷晶界,，可以降低燒結(jié)體的氧含量。熱壓燒結(jié)AlN陶瓷是在N₂氣氛下石墨模具中進行的,，C還原氣氛減少低溫燒結(jié)AlN的第二相,，降低氧含量。由于部分產(chǎn)物以氣態(tài)的形式揮發(fā),，所以熱壓燒結(jié)AlN陶瓷的第二相含量降低,。

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

添加Y₂O₃-CaO-Li₂O系燒結(jié)助劑,，在AlN陶瓷燒結(jié)過程中,，Y₂O₃、CaO和Al₂O₃結(jié)合形成Y₄Al₂O₉和Ca₃Al₂O₆鋁酸鹽液相,，且保溫時間越長,，液相量越多。該液相分布于AlN晶界,，促進了燒結(jié)致密化及雜質(zhì)在AlN晶界的聚集,，將氧原子束縛在晶界第二相中，AlN陶瓷的熱導率也逐漸增加,。該助燒劑體系中Li₂O的助燒作用就是明顯降低CaO,、Y₂O₃和Al₂O₃的反應(yīng)溫度，改善液相與AlN晶粒的潤濕性,，促進低溫燒結(jié)AlN陶瓷的致密化,，純化晶格。

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率,。

4,、CaF₂-YF₃系

YF₃不引入氧，且比Y₂O₃有著較低的熔點,，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,。

總結(jié)

在AlN燒結(jié)過程中，添加稀土多相復合燒結(jié)助劑有利于形成低溫液相,，降低燒結(jié)溫度,，提高燒結(jié)致密度，并凈化AlN晶界,，從而能獲得較高的熱導率,，是AlN陶瓷材料實現(xiàn)低溫常壓燒結(jié)的重要途徑之一。在未來的研究中,，如果能夠成功實現(xiàn)在較低溫度下的致密化燒結(jié),，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，降低成本,，AlN陶瓷在電子工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用必將更為廣泛,。

參考來源：

[1]吳玉彪等.高導熱AlN陶瓷低溫燒結(jié)助劑的研究現(xiàn)狀

[2]馬雪剛等.氮化鋁陶瓷燒結(jié)助劑研究進展

[3]王超.低溫燒結(jié)氮化鋁陶瓷燒結(jié)助劑的研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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