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，燒結活性低，因此是一種難燒結的陶瓷材料。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，當氮化鋁粉體純度較高時，非常難以通過燒結達到完全致密，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用。
氮化鋁的燒結溫度通常在1800℃以上，為降低生產(chǎn)成本，低溫燒結已成為氮化鋁陶瓷新的研究方向，低溫燒結是指1600~1700℃間實現(xiàn)致密化燒結。影響氮化鋁陶瓷燒結的因素有很多，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，大體可分為兩種。一種是內因，即粉體的粒度、分布、形狀、表面狀態(tài)，粉體的雜質種類與含量等；另一種是外因，即燒結方式，包括：所使用的燒結添加劑和燒結時所使用的工藝與設備等。
（圖片來源：Tokuyama）
超細粉體
在燒結過程中，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陶瓷的熱導率。超細AlN粉體由于其高的比表面積，會在燒結的過程中增加燒結的推動力，加速燒結的過程。此外，粉體的尺寸變小也就意味著物質的擴散距離變短，高溫下有利于液相物質的生成，極大地加強了流動傳質作用
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助劑的純化作用有著積極影響。
添加燒結助劑
引入合適的燒結助劑，一方面可以與AlN表面氧化形成的Al2O3反應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，加速燒結體致密化進程。另一方面形成的第二相冷卻后，淀析凝結在晶界上，減少了高溫下氧進入晶格的可能，起到凈化晶格，提高熱導率的作用。
目前常用的燒結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，成為最常用的燒結助劑；而CaO由于液相形成溫度較低，在低溫燒結中的作用比較明顯。此外，據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，對多種燒結助劑的復合添加的研究，也獲得廣泛關注。
添加大量的燒結助劑一方面能夠降低燒結溫度，但引入的晶界相的熱導率大大低于AlN主晶相，會導致燒結體熱導率的下降，因此應合理控制燒結助劑的添加量。
燒結工藝與設備
AlN陶瓷燒結工藝主要有：常壓燒結、熱壓燒結、放電等離子燒結、微波燒結等。
常壓燒結
常壓燒結是一種燒結過程不施加任何額外壓力的燒結方法，分為固相燒結和液相燒結，AlN陶瓷單純的固相燒結難以燒結致密，一般選用液相燒結。液相燒結由顆粒重排、氣孔減少和晶粒生長等過程組成，其傳質方式包括流動傳質和溶解-沉淀傳質，固相燒結的傳質方式主要為擴散傳質，而流動傳質的速率比擴散傳質快，因此液相燒結可在較低溫度下實現(xiàn)坯體的致密化過程，且速率比固相燒結高。
周和平等用相對簡單的設備在高于1800°C的燒結溫度下獲得了氮化鋁陶瓷，其密度高達3.26g/cm3，熱導率達189 W·m-1·K-1。但該方法所需的燒結溫度高、燒結時間長，能耗較高，而且制備出的燒結體密度較低，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
熱壓燒結是一種在燒結過程中單向施加額外壓力的燒結方法。在外力的驅動下，熱壓燒結的燒結溫度可比常壓燒結低200℃以上，且燒結時間得以大大縮短。同時熱壓燒結制備得到的氮化鋁燒結體的晶粒細小且分布均勻，晶粒異常現(xiàn)象不明顯。但是相比于常壓燒結，熱壓燒結的成本大大增加，裝模比較復雜。
有研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鋁坯體置于1700°C，30MPa的燒結環(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，燒結周期長，產(chǎn)品晶粒粗大，成分不均勻，只能燒結形狀簡單的氮化鋁陶瓷材料等問題。
高壓燒結
為解決氮化鋁晶粒大小不均，且難以燒結致密的問題，一些研究者采用壓強超過1.0GPa的高壓燒結法或者使用高壓氣體作為傳壓介質的熱等靜壓燒結法對氮化鋁進行燒結。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，高壓燒結法能夠降低燒結溫度，防止晶粒生長過大，提高燒結體致密度。
有實驗表明，使用六面頂壓機，在壓力為5.0GPa，燒結溫度為1200°C的條件下制備出了具有細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。
熱等靜壓燒結法
熱等靜壓燒結法是以氣體傳遞壓強、并同時在高溫下進行致密化的燒結方法，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，設備工作時內部氣壓高達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法，在2773K的高溫下，制備了不添加燒結助劑的氮化鋁陶瓷，得到的陶瓷晶粒尺寸為4μm，熱導率為155W·m-1·K-1。
微波燒結
微波燒結是利用某些特殊的微波波段與目標材料的本質細微結構耦合而振動產(chǎn)生熱量，介質損耗使材料整體加熱而達到燒結溫度，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法，使用高純度的氮化鋁微粉，不引入燒結添加劑，在燒結溫度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，微波燒結在操作時難以準確控制溫度，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，但是受微波燒結設備的限制，通常也很難獲得較低的燒結溫度。
放電等離子燒結
放電等離子燒結是將原料粉體直接裝入石墨或金屬等材質制成的模具內，利用壓頭施加的壓力及電極所通電流使粉體升溫燒結，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技術。具有通電流燒結的特點，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的作用。同時設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，降低燒結溫度。
劉軍芳等采用放電等離子燒結制備了致密度為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%的燒結體；而添加Y2O3或Sm2O3可顯著促進AlN的燒結，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，比同樣燒結條件下的純AlN提高了10%以上。由此可見，放電等離子燒結和引入燒結助劑均有利于AlN粉體的燒結。
等離子活化燒結
等離子活化燒結是一種類似于放電等離子燒結的技術，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的優(yōu)點，如快速致密化，高自動化，燒結樣品顆粒均勻、細小等，還具有原位凈化這一特點。
在升溫過程開始之前，燒結設備將直流脈沖電壓施加在粉體顆粒間的空隙中，導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的擴散和遷移，在設備的負壓環(huán)境下，迅速去除粉體顆粒表面的一些吸附雜質及氣體，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下燒結高純度的氮化鋁亞微粉，得到了晶粒結合緊密、晶界干凈的氮化鋁陶瓷。等離子活化燒結與放電等離子燒結具有高效能、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，材料復合新技術國家重點實驗室2017
陳淑文：AlN粉體的合成與燒結機制研究，浙江工業(yè)大學2015
馬丁：適合于導熱基板用AlN粉體的制備與表征，北京交通大學2019
燕東明，等：高熱導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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