AlN陶瓷的显微结构、相组成和性能

1、第岱增川印稀有金属材料与工程，陶瓷的显微结构、相组成和性能秦明礼，曲选辉，段柏华，徐征宙，汤春峰（北京科技大学，北京）（中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙）摘要：以比表面积为、氧含量为和比表面积为、氧含量为的两种粉末为原料制备陶瓷，研究了显微结构、相组成和陶瓷性能的关系，结果表明：致密度和氧含量是影响陶瓷热导率的关键大素。添加作为烧结助剂，在。烧结后，燃烧合成前驱物合成的粉末的烧结试样已经致密，材料的热导率口达。，而沉淀前驱物合成粉术的试样尚未致密，热导率仪为。在材料获得致密后，氧杂质引起的桐组成和结构缺陷成为热导率的控制素，住烧结后，两种粉未的烧结试样都获得致密，由二燃烧合成前驱物合成

2、的粉术氧含最西，所制备的陶瓷材料中结构缺陷多，热导簪为，低：沉淀前驱物合成粉术的烧结试样的热导率（为。）。关键词：陶瓷；热导率；显微结构；第相中图法分类号：文献标识码：瓷，必须解决两个问题：第一是要提高材料的致密度，刖吾第二是选择纯度高的粉末，并在高温烧结时，要尽量避免氧原子溶入的品格中。为了获得高致密度的陶瓷材料，通常需要添加氮化铝陶瓷具有高的热导率、低的介电常数和介电损耗、可靠的电绝缘性、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良性能，在许多高技术领域的应用越来越广泛【“。是绝缘陶瓷材料，属于声子导热机制，声子平均自由程愈长，材料的热导率愈高。在热传输过程中

3、，晶体的缺陷、晶界、空洞等都会产生声子散射，降低声子的平均自由程，从而进一步影响热导率。属于共价化合物，熔点高，原子自扩散系数小，因此，纯净的粉末在通常的烧结温度下很难烧结致密，而致密度不高的材料很难具有高的热导率。除了致密度外，另个影响陶瓷热导率的重要因素是杂质含量，尤其是氧含量。由于对氧有强烈的亲合力，部分氧会固溶入氮化铝的点阵中，形成铝空位，铝空位散射声子，降低了声子的平均自由程，导致热导率下降。因此，要制备高热导率的陶，等各种稀土金属和碱土金属的氧化物、碳化物及氟化物作为烧结助剂【划】，这些烧结助剂直接影响了陶瓷中第二相的种类、数量和分布，并进一步影响的导热性能。本工作中采用两种比表面

4、积和氧含量不同的粉末为原料，研究了陶瓷显微结构、相组成和热导性能的关系。实验方法两种粉末均采用碳热还原法制备而成，粉末采用沉淀前驱物制备而成，粉末采用低温燃烧合成前驱物制备而成，两种粉末的具体制备工艺如文献，所述。表列出了两种粉末的性能，可以看出两种粉末的比表而积和氧含量差别较表原料粉末的性能收稿日期：基金项目：国家杰山青年科学壤金（）和国家乖点基础研究发展规划（）作者简介：秦明礼，男，年生，博士，讲师，北京科技大学利料科学与上程学院，北京，电话：，：增刊秦明礼等：陶瓷的显徽结构、相组成和性能大，粉末的比表面积和氧含量分别为幢和，粉末的比表面积大，为，结果与讨论密度和显微结构众所周知，比表面积

5、是影响陶瓷烧结性能的重要因素之一，随着粉末比表面积的变大，粉末的表面能增加，活性升高，体系的能量升高，烧结动力也随之增加。由于所采用的两种粉末的比表面积不同，二者的烧结性能存在较大差异。图为两种粉末各种烧结试样密度与烧结温度的关系。从图中可以看出，沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的密度在。问迅速增加，试样密度由增至，继续升高温度，试样密度变化不大；而低温燃烧合成前驱物合成粉末的烧结试样的密度在。间增加迅速，在烧结后，氧含量较高，为，图和图分别为两种粉末的照片，可以看出两种粉末均为形状规则的近球形颗粒，分散性能良好，其中沉淀前驱物制备的粉末粒度较粗，粉末平均粒径为，低温燃烧合成前驱物制各的粉末的平均

6、粒径约为。材料的密度已经达到，相对密度为，材料基本完全致密。可见，低温燃烧合成前驱物合成的氮化铝粉末的烧结活性，高于沉淀前驱物合成的氮化铝粉末的烧结活性，前者的完全致密化温度比后者的致密化温度约低。，告口图添加的两种粉末的烧结行为图低温燃烧合成前驱物制备的粉末的照片帅（：）将粉末和粉末阻无水乙醇为介质，湿法球磨混合均匀后，将浆料烘干、过筛，再将混合图为两种粉末试样在烧结后的断口扫描（）。从图可以看出，沉淀前驱物合成的粉末试样在烧结后，烧结颈已经开始彤成，但材抖没有致密，材料中存在较多孔洞。低温燃烧合成前驱物合成的粉末的试样在烧结后，已经观察不到孔洞，材料基本上完全致密，样品断口光滑，主要为沿晶

7、断裂，晶粒生长完善，大小均匀，为多面体形状，晶粒间以面接触为主。相组成表为添加的两种粉末在不同烧结温度下烧结试样的相变分析。可以看出，在不同烧结温度下获得的试样，除了含主晶相外，还存在着粉末采用冷等静压成型，得到引×的陶瓷素坯。将素坯放八石墨坩埚中烧结，在流动氮气气氛中烧结，制备出烧结试样。用阿基米德排水法测量陶瓷烧结试样的密度。用激光热导仪测定烧结试样的导热系数“，然后计算得出所制各的陶瓷试样的热导率¨不同温度下烧结试样的物相分析在日本产型射线衍射仪上进行（），口辐射。用一型扫描电镜观察陶瓷材料断口的显微结构（）。稀有金属材料与工程卷以及各种结晶物，只是随烧结温度不同，所

8、含的第二相的种类和数量不同。对于沉淀前驱物合成粉末的烧结试样，在。可以观察到和，随着烧结温度的升高，生成的第二相中开始出现逐渐消失，继续升高烧结温度，的量增多，但仍以为主，在烧结后，第二相为，对于低温燃烧合成前驱物合成粉末的烧结试样，在较低的烧结温度下，第二相中有和相存在，随着烧结温度的升高，相逐渐消失，成为主要的结晶第二相烧结后，第二相为。粉末极易水解和氧化，粉末表面包覆着一层薄膜，在烧结体系中添加烧结助剂后，它与粉末表面的发生反应，形成铝钇酸盐第二相。这些第二相的种类和数量与粉末表面氧含圈陶瓷的断口扫描量密切相关。对于低温燃烧合成前驱物合成的氮化铝粉末，粉末的比表面积大，表面氧含量高，为，

9、：（）“（）把在添加量为时，与反应后，生成第二相为富铝盐，主要为，在较低的烧结温寰烧结温度对陶瓷中第二晶相的影响度下，还存在第二相，这是由于的相对量少，部分氧无法与反应，有向氮化铝晶格扩散的趋势，随着烧结温度的升高，与氮化铝粉末表面的反应形成铝钇酸盐化合物，由于第二相的固氧能力较强，大量的氧从氮化铝晶格内部扩散到晶界，为晶界所吸收，因此，随着烧结温度的升高，相逐渐消失。对于沉淀前驱物合成的氮化铝粉末，比表面积小，粉末表层氧化铝的含量少，因此，氧含量低，为，在加入等量的烧结助剂时，由于的比值较大，生成的结晶第二相为富钇盐，主要为和，随着烧结温度的升高，为高温不稳定相，会部分发生分解生成和，因此在

10、高温下烧结时，还能观察到少量的。陶瓷的结构、相组成与性能图为烧结温度与添加的两种粉末的烧；图烧结温度对陶瓷热导率的影响结试样的热导率的关系，可以看出，随着烧结温度的升高，二者的热导率都增加，低温燃烧合成前驱物合增刊秦明礼等：陶瓷的显微结构、相组成和。忖能成的粉末的试样的热导率在增加很快，继续升高温度，热导率随着温度的升高而增加的趋势变缓；沉淀前驱物合成粉末的试样的热导率在间几乎是线形增加。从图中还可以看出，在低于。时，低温燃烧合成前驱物合成的粉末的烧结试样的热导率，高于沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率，在烧结后，燃烧合成前驱物合成粉末的烧结试样的热导率为一，而沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的

11、热导率为。在温度高于后，沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率迅速增加，在烧结后，它的烧结试样的热导率已达，已经高于低温燃烧合成前驱物合成粉末烧结试样的热导率（一）。属于声子导热机理，当构成材料的元素原子量小、结构简单、简谐性好、晶格完整无缺陷时，声子的平均自由程大，热导率就越高。许多研究表明，在影响陶瓷热导率的诸多因素中，结构缺陷是主要因素。首先，获得致密的陶瓷材料是前提条件，不致密的材料很难具有高的热导率。在保证材料致密的条件下，杂质氧成为影响材料热导率的另一个关键因素。在高温烧结过程中，杂质氧进入晶格形成固溶体，伴随着形成铝空位、位错、反相畴界等结构缺陷，显著降低了声子的平均自由程，导致热

12、导率降低。因此，要获得高热导率的陶瓷材料，提高材料致密度、减少原料粉末氧含量和净化晶格是关键技术。对于低温燃烧合成前驱物合成的粉末的试样，在间，烧结过程进行的很快，材料的密度迅速增加，因此，材料的热导率提高很快。在材料获得致密后，继续提高烧结温度，氮化铝晶粒进一步长大，品界相的数量减小，陶瓷的结构缺陷减少，材料的热导率进一步得到提高，但增加的幅度不大。沉淀前驱物合成粉末的试样的热导率在间几乎线形增加，这与试样在该阶段密度迅速增加相对应。虽然燃烧合成前驱物合成的粉末的氧含量，高于沉淀前驱物合成的粉末的氧含量，但由于它的比表面积大，烧结活性好，在前，其致密度均高于沉淀前驱物合成的氮化铝粉末的烧结试

13、样的密度，冈此在。前，其热导率也高于沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率。在材料获得致密后，氧含量以及相组成成为影响氮化铝烧结体热导率的关键因素，在。烧结后，虽然两种粉末的烧结试样都获得致密，但由于燃烧合成前驱物合成的粉末的氧含量高，所制备的陶瓷材料中结构缺陷多，其热导率低于沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率。另外，由于氧含量不同而引起的第二相种类和数量的不同也是影响陶瓷热导率的另一个重要因素，不同种类的第二相对杂质氧的固结作用和对晶格的纯化作用不同，从热力学的角度考虑，氧溶入晶格中的平衡活度随晶界第中比值的增加而减小，在各种锚钇酸盐中，反应自由能由大变小的顺序依次为，和因此，不同组成的晶界

14、第二相对热导率的贡献不同【。为了降低杂质氧溶入品格的平衡活度，晶界第二相组成应为富钇盐，即生成比值高的晶界第。对于低温燃烧合成前驱物合成粉末的烧结试样，第，主要为而沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的第主要为，由于它的固氧作用强于，冈此，在烧结后，沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率高于低温燃烧合成前驱物合成粉末的烧结试样的热导率。结论）致密度和氧含量是影响陶瓷热导率的关键因素。在烧结助剂添加量为时，以燃烧合成前驱物合成的粉末为原料，在烧结后，材料已经致密，可以制备出热导率为。的陶瓷材料，而对沉淀前驱物合成粉末的试样在烧结后，材料尚未致密，热导率仅为。）在材料获得致密后，由氧杂质引起的相组成和结构缺陷成为热导率的控制冈素，在烧结后，两种粉末的烧结试样都获得致密，沉淀前驱物合成粉末的烧结试样的热导率为，而燃烧合成前驱物合成的粉末由于氧含量高，所制备的陶瓷材料中第二相为富铝盐，结构缺陷多，热导率较低，为。参考文献，（）：（秦明礼），（抽选辉），（林建凉）（稀有金属材料与工