中國粉體網(wǎng)訊  氮化鋁陶瓷確實是個好材料,，它憑借高熱導率、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、無毒等優(yōu)點,，在航空航天,、大規(guī)模集成電路等重要領(lǐng)域的應用有著巨大的優(yōu)勢。

其中高熱導率是氮化鋁陶瓷的“招牌”,，AlN陶瓷理論導熱率高達320W·m^-1·K^-1,，而在實際應用中遠遠達不到理論導熱量數(shù)值。我們知道,，氮化鋁屬于共價化合物,，其熱傳導是依靠晶格振動來實現(xiàn),。晶格振動的能量是量子化的，熱傳導可以看作連續(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有較強的親合力,，它會固溶到AlN的點陣中，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)熱導率惡化,。另外,，AlN熔點大于2200℃，原子自擴散系數(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率較為理想,，但由于雜質(zhì)和缺陷的存在使實際產(chǎn)品的熱導率遠達不到理論值。

因此,，要想提高熱導率,，兩個關(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)過程中也有兩個關(guān)鍵點需要注意，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散和流動傳質(zhì)過程的進行,，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率，可在短時間內(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,，形成低熔物,，產(chǎn)生液相，利用液相傳質(zhì)促進燒結(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,，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)體的熱導率,。

1、燒結(jié)助劑的選擇原則

選擇AlN陶瓷燒結(jié)助劑應遵循以下原則:

2,、常用的低溫復合燒結(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：

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,。

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

[4]張云.高導熱氮化鋁陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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