AlN-BN復(fù)相陶瓷的SPS制備及導(dǎo)熱性能的研究.pdf

1、A1N陶瓷具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能,良好的電絕緣性、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù),以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn),是一種集結(jié)構(gòu)、功能于一體綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料,已引起電子材料專家的充分重視。近年來,隨著器件高性能化和小型化應(yīng)用的不斷深入,作為大功率集成電路的基板和散熱器件候選材料的A1N陶瓷來說,改善其固有脆性,提高其可加工性逐漸受到重視。而BN復(fù)相陶瓷的研究也因其良好的可加工性能而蓬勃興起。于是,具有高熱導(dǎo)率和可加工性的A1N/

2、BN復(fù)相陶瓷越來越受到研究者的關(guān)注。但目前存在的問題是:A1N/BN復(fù)相陶瓷的燒結(jié)非常困難。無(wú)壓燒結(jié)A1N/BN復(fù)相陶瓷可以達(dá)到的致密度化,但制備條件苛刻,力學(xué)性能不高。熱壓燒結(jié),采用高溫長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)使燒結(jié)體致密度高,A1N晶粒充分長(zhǎng)大,晶界數(shù)量減少。但是,熱壓燒結(jié)A1N/BN陶瓷在顯微結(jié)構(gòu)和性能上存在各向異性,粗化的顯微組織會(huì)顯著劣化材料的導(dǎo)熱性能。 本文采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備A1N/BN復(fù)相陶瓷,同時(shí)根據(jù)BN含量

3、不同調(diào)整燒結(jié)助劑Y2O3的添加劑。在極大提高燒結(jié)效率的同時(shí),提高材料抗彎強(qiáng)度,有效減緩因引入BN對(duì)復(fù)相陶瓷導(dǎo)熱性能的劣化,實(shí)現(xiàn)了材料綜合性能的統(tǒng)一。研究了晶粒起始尺寸和燒結(jié)助劑添加量對(duì)A1N陶瓷相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及性能的影響。重點(diǎn)研究了A1N/BN復(fù)相陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響因素。通過燒結(jié)工藝和燒結(jié)助劑添加量的改變調(diào)整A1N/BN的顯微結(jié)構(gòu),使其在提高可加工性的同時(shí),保持較高力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。 SPS制備單相A1N陶瓷,燒結(jié)溫

4、度在1800℃,保溫時(shí)間10min,樣品相對(duì)密度可達(dá)98.5％以上,硬度約11.5Gpa,抗彎強(qiáng)度在300MPa以上。A1N起始粒徑尺寸和燒結(jié)助劑添加量,但對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱性能有顯著影響。起始粒徑為1.3μm的A1N粉末添加3wt％Y2O3的試樣,熱導(dǎo)率達(dá)到148W/m·k。A1N粉末的起始粒徑和Y2O3的添加量影響A1N的晶體發(fā)育、晶界相的分布,從而影響熱導(dǎo)率。 A1N/BN復(fù)相陶瓷在SPS(1600-1800℃)的制備

5、條件下可以快速致密,BN含量在5-30vol％范圍內(nèi),致密度均達(dá)到98％以上。材料的硬度則隨著BN含量的增加而線性降低,從而改善可加工性,BN含量達(dá)到10vol％時(shí),復(fù)相陶瓷的硬度已低于硬質(zhì)合金刀具的硬度,從而可以機(jī)械加工。 BN含量在10vol％時(shí),晶粒細(xì)化增韌的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弱相劣化作用,復(fù)相陶瓷的強(qiáng)度較A1N單相陶瓷有較大提高,繼續(xù)增加含量至25vol％,強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),但仍比單相陶瓷強(qiáng)度高。 BN含量達(dá)到5vol％

6、以上時(shí),復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率較單相A1N陶瓷明顯降低,在15vol％-25vol％的范圍內(nèi),熱導(dǎo)率表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的變化趨勢(shì),下降幅度變緩。第二相BN的起始粒徑尺寸對(duì)復(fù)相陶瓷的顯微組織結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱性能有顯著影響。BN起始顆粒尺寸過小,顯微結(jié)構(gòu)中的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯,不利于熱導(dǎo)率的優(yōu)化。 進(jìn)一步研究A1N/BN復(fù)相陶瓷熱導(dǎo)率的影響因素并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)BN的具體含量調(diào)整燒結(jié)助劑Y2O3的添加量,探討燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間,可以調(diào)控復(fù)相陶瓷的顯微結(jié)

7、構(gòu),有效提高復(fù)相陶瓷熱導(dǎo)率。BN含量為15vol％,Y2O3添加劑為8wt％時(shí),燒結(jié)溫度1800℃,保溫時(shí)間10min,獲得熱導(dǎo)率141W/m·k,可加工性優(yōu)異的復(fù)相陶瓷。 本文采用SPS制備的A1N/BN復(fù)相陶瓷所獲得的高熱導(dǎo)率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)內(nèi)外采用熱壓燒結(jié)制備的A1N/BN復(fù)相陶瓷的最高水平,而且擁有同樣優(yōu)異的可加工性能和力學(xué)強(qiáng)度。而借助SPS可以在實(shí)現(xiàn)A1N/BN復(fù)相陶瓷快速致密化基礎(chǔ)上進(jìn)行相組成及顯微組織的調(diào)控。SPS工藝