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，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，兩個關鍵難題必須解決：一是降低氧雜質原子的存在；二是實現(xiàn)致密燒結。

解決的主要辦法除了提高氮化鋁粉體純度以外，在燒結過程中也有兩個關鍵點需要注意，那就是添加燒結助劑和選擇合適的燒結方式。

燒結方式的選擇

氮化鋁陶瓷常用的燒結技術有無壓燒結、熱壓燒結、放電等離子燒結、微波燒結等。其中無壓燒結是陶瓷燒結中最簡單也是最常見的一種燒結方法，但它必須配合燒結助劑完成燒結過程。熱壓燒結有助于顆粒的接觸擴散和流動傳質過程的進行，從而降低燒結溫度和氣孔率。放電等離子燒結體內(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)使燒結體致密化。微波燒結是一種新型、高效的燒結技術，具有傳統(tǒng)燒結技術無可比擬的優(yōu)越性。不添加任何燒結助劑的微波燒結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途徑。

添加助燒劑

燒結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。在燒結體系引入燒結助劑后，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，利用液相傳質促進燒結，提高材料的致密度；另一方面，燒結助劑與氧雜質反應，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燒結體的熱導率。

1、燒結助劑的選擇原則

選擇AlN陶瓷燒結助劑應遵循以下原則:

2、常用的低溫復合燒結助劑體系

（1）Y₂O₃-CaO體系

表：不同燒結助劑體系燒結的AlN陶瓷材料的物理性能

（2）Y₂O₃-CaO-Li₂O系

（3）CaF₂-Y₂O₃系

以CaF₂-Y₂O₃為燒結助劑，會發(fā)生如下反應：

在燒結過程中，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陶瓷低溫燒結助劑的研究現(xiàn)狀

[2]馬雪剛等.氮化鋁陶瓷燒結助劑研究進展

[3]王超.低溫燒結氮化鋁陶瓷燒結助劑的研究進展

[4]張云.高導熱氮化鋁陶瓷燒結技術研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除