中國粉體網訊 隨著科學技術的高速發展，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、與硅相匹配的熱膨脹系數、高電阻、低密度、熱化學穩定性好、機械性能良好、成本低、無毒等優點，使其在航空航天、大規模集成電路等重要領域的應用有著巨大的優勢，因此受到國內外科研工作者和生產廠家越來越廣泛的重視。
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氮化鋁陶瓷的燒結難度
AlN屬于共價化合物，自擴散系數小，燒結致密化非常困難，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助劑來促進燒結，但仍需要1800℃以上的燒結溫度。
近幾年，出于減少能耗、降低成本以及實現AlN與金屬漿料的共同燒結等因素考慮，人們開始注意AlN低溫燒結技術的研究。所謂低溫燒結是個相對概念，指的是將AlN的燒結溫度降低到1600℃至1700℃之間實現致密度高的燒結。一般認為，AlN表層的氧是在高溫下才開始向其晶格內部擴散。因此，低溫燒結另外一個潛在的有利影響是可以延緩高溫燒結時表層氧向AlN晶格內部擴散，增進后續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。
低溫燒結的關鍵技術是選擇有效的燒結助劑。
燒結助劑的作用和作用機理
AlN自擴散系數小難以燒結，一般采用添加堿土金屬化合物及稀土鑭系化合物，通過液相燒結實現燒結致密化。燒結助劑能在燒結初期和中期顯著促進AlN陶瓷燒結，并且在燒結的后期從陶瓷材料中部分揮發，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構與性能產生顯著程度的影響。
助燒劑作用過程示意圖
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：
1、能在較低的溫度下與AlN顆粒表面的氧化鋁發生共熔，產生液相，這樣才能降低燒結溫度；
2、產生的液相對AlN顆粒有良好的浸潤性，才能有效起到燒結助劑作用；
3、燒結助劑與氧化鋁有較強的結合能力，以除去雜質氧，凈化AlN晶界；
4、液相的流動性好，在燒結后期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、燒結助劑最好不與AlN發生反應，否則既容易產生晶格缺陷，又難于形成多面體形態的AlN完整晶形。
常用的低溫復合燒結助劑體系
1、Y2O3-CaO體系
采用Y2O3-CaO系燒結助劑的AlN陶瓷常采用常壓燒結和熱壓燒結兩種工藝制備。常壓燒結制備的AlN陶瓷的第二相主要是Y3Al5O12和Ca3Y2O6，分布在AlN陶瓷晶界，可以降低燒結體的氧含量。熱壓燒結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AlN的第二相，降低氧含量。由于部分產物以氣態的形式揮發，所以熱壓燒結AlN陶瓷的第二相含量降低。
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
添加Y2O3-CaO-Li2O系燒結助劑，在AlN陶瓷燒結過程中，Y2O3、CaO和Al2O3結合形成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，促進了燒結致密化及雜質在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的反應溫度，改善液相與AlN晶粒的潤濕性，促進低溫燒結AlN陶瓷的致密化，純化晶格。
3、CaF2-Y2O3系
以CaF2-Y2O3為燒結助劑，會發生如下反應：
在燒結過程中，AlF3升華，Ca-N化合物以氣態的形式從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
在AlN燒結過程中，添加稀土多相復合燒結助劑有利于形成低溫液相，降低燒結溫度，提高燒結致密度，并凈化AlN晶界，從而能獲得較高的熱導率，是AlN陶瓷材料實現低溫常壓燒結的重要途徑之一。在未來的研究中，如果能夠成功實現在較低溫度下的致密化燒結，實現連續化生產，降低成本，AlN陶瓷在電子工業等領域中的應用必將更為廣泛。
參考來源：
[1]吳玉彪等.高導熱AlN陶瓷低溫燒結助劑的研究現狀
[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
（中國粉體網編輯整理/山川）
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