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氮化鋁(AlN)陶瓷常見的坯體成型與燒結方法概述

來源:http://www.kluvers.net點擊1275作者:聯騰達 發布:2018-05-12打印文本

氮化鋁(AlN)是一種六方纖鋅礦結構的共價鍵化合物,晶體結構和微觀組織如圖1所示。室溫強度高熱膨脹系數小、抗熔融金屬侵蝕的能力強、介電性能良好,這些得天獨厚的優點使其成為高導熱材料而引起國内外的普遍關注。作為高性能的介電陶瓷,氮化鋁可以取代碳化矽,甚至部分取代氧化鋁,被視為新一代很有發展前途的優良的基片材料。

 

1 納米AlN陶瓷顯微組織圖

 

一、常見的AlN坯體成型方法

由氮化鋁粉末制備氮化鋁陶瓷坯體,需要利用成型工藝把粉體制備成坯體,然後再進行燒結工作。氮化鋁成型工藝主要有幹壓成型、等靜壓成型、流延法成型和注射成型等。

 

1、幹壓成型

2為幹壓成型機。幹壓成型(軸向壓制成型)是将經表面活性劑改性等預處理的 AlN 粉體加入至金屬模具中,緩慢施加壓力使其成為緻密的坯體成型工藝。實質是借助外部施壓,依靠AlN粉末顆粒之間的相互作用力使坯體保持一定的形狀和緻密度高緻密坯體,其有利于陶瓷燒結,可以降低燒結溫度,提高陶瓷緻密度。由于AlN粉末易水解,幹壓成型中常用的水-聚乙烯醇(PVA)不能用于AlN粉末的壓制,可選用石蠟與有機溶劑代替。

 

優點:幹壓成型法操作簡單,工藝環節少,效率高。

缺點:不能壓制複雜幾何形狀的坯體;需嚴格控制壓力大小,過大或過小均不利于得到高緻密度AlN陶瓷燒結件。

 

2 幹壓成型機

 

2、等靜壓成型

等靜壓成型是傳統幹壓法的改進方法,将AlN 粉體置于高壓容器中,利用液體的不可壓縮性和液體對壓力傳導的特性,将粉體置于彈性材料制造的成型模具中,從不同的方向對待壓粉體進行均勻施壓,以液體對模具進行加壓而使坯體成型的方法。

 

優點:坯體的緻密度較高,密度分布均一,可以近淨尺寸成型;

缺點:成型設備昂貴,且存在脫模問題,限制了将其應用于大規模的工業生産。

 

3、流延成型

流延成型法是一種十分重要的陶瓷基片的成型工藝。将AlN 粉體與複合粘合劑(分散劑、溶劑、粘結劑和增塑劑組成)混合均勻後得到 AlN 流延料漿,除氣等過程處理後的漿料倒入料鬥,經刮刀口後,形成厚度均勻、表面光滑附着于光滑帶上的薄層,再經幹燥後制備成具有良好韌性的坯體;排膠燒結之後得到 AlN 基片材料。

 

優點:設備簡單,可以連續操作,生産率高,自動化程度高等;

缺點:要求較為嚴格,料漿就工藝參數的變化十分敏感,成型坯體表面粗糙且結合不充分,強度較低,幹燥過程中易出現起泡開裂、彎曲變形等現象;同時流延成型隻能用于片狀材料的生産。

 

4、注射成型

AlN陶瓷注射成形是粉末注射成形應用于陶瓷粉末成型的一種方法,以塑料注射成形工藝為基礎,經過技術改進而産生的成型技術。其基本過程為先在AlN粉末中加入粘結劑并使其混合均勻,形成具有粘塑性的喂料,在加熱狀态下,利用注射成型機将喂料注入模具模腔内冷凝成型,經過加熱去除粘結劑後,便可用于燒結,如圖3所示。喂料的流變性是影響注射成型成品質量的一個重要因素,通常我們希望喂料粘度較低,這就要求原料粉末與粘結劑相容性要好,而且混合均勻。

 

優點:緻密度高,密度分布均勻,可用于複雜形态坯體成型,且成型精度高,無需後期機械加工;

缺點:易出現欠注、飛邊、熔接痕、氣穴等缺陷影響AlN陶瓷燒結。

 

3注射成型工藝原理示意圖

 

制備好的坯體需要經過高溫燒結,才能獲得高緻密度和優良性能的AlN陶瓷,從而在各個領域得到廣泛應用。AlN作為高熔點的強共價鍵化合物,原子自擴散系數小,燒結出緻密零件難度大,必須選擇合适的燒結方法,并嚴格控制燒結條件,才能制得具有高緻密度和所需優良性能的AlN陶瓷。

 

二、常見的AlN燒結方法

燒結是指陶瓷粉體經壓力壓制後形成的素坯在高溫下的緻密化過程,在燒結溫度下陶瓷粉末顆粒相互鍵聯,晶粒長大,晶界和坯體内空隙逐漸減少,坯體體積收縮,緻密度增大,直至形成具有一定強度的多晶燒結體。氮化鋁作為共價鍵化合物,難以進行固相燒結。通常采用液相燒結機制,即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結助劑,并通過溶解産生液相,促進燒結。AlN燒結動力:粉末的比表面能、晶格缺陷、固液相之間的毛細力等。

 

要制備高熱導率的AlN陶瓷,在燒結工藝中必須解決兩個問題:第一是要提高材料的緻密度,第二是在高溫燒結時,要盡量避免氧原子溶入的晶格中。常見的燒結方法如下:

 

1常壓燒結

常壓燒結是AlN陶瓷傳統的制備工藝。在常壓燒結過程中,坯體不受外加壓力作用,僅在一般氣壓下經加熱由粉末顆粒的聚集體轉變為晶粒結合體,常壓燒結是最簡單、最廣泛的的燒結方法。常壓燒結氮化鋁陶瓷一般溫度範圍為1600-2000℃,适當升高燒結溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的緻密度。由于AlN為共價鍵結構,純氮化鋁粉末難以進行固相燒結,所以經常在原料中加入燒結助劑以促進陶瓷燒結緻密化。常見的燒結助劑包括堿土金屬類化合物助劑、稀土類化合物助劑等。一般情況下,常壓燒結制備AlN陶瓷需要燒結溫度高,保溫時間較長,但其設備與工藝流程簡單,操作方便。

 

2熱壓燒結

為了降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度,促進陶瓷緻密化,可以利用熱壓燒結制備氮化鋁陶瓷,是目前制備高熱導率緻密化AlN陶瓷的主要工藝方法之一。所謂熱壓燒結,即在一定壓力下燒結陶瓷,可以使加熱燒結和加壓成型同時進行。以25MPa高壓,1700℃下燒結4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導率為200W/(m.K)的AlN陶瓷燒結體,AlN晶格氧含量為0.49wt%,比1800℃下燒結8h得到的AlN燒結體的晶格氧含量(1.25wt%)低了60%多,熱導率得以提高。

 

3高壓燒結

AlN陶瓷高壓燒結與熱壓燒結類似,隻不過施加的外來壓力更高,一般稱在大于1GPa高壓下進行的燒結為高壓燒結。其不僅能夠使材料迅速達到高緻密度,具有細小晶粒,甚至使晶體結構甚至原子、電子狀态發生變化,從而賦予材料在通常燒結或熱壓燒結工藝下所達不到的性能。利用兩面頂高壓設備弋Y2O3為燒結助劑在5.15×109MPa、1700℃和115min高溫條件下之燒結緻密度為3.343g/cm3AlN陶瓷。相比常壓燒結,高壓燒結的AlN材料微觀機構更緻密和均勻,但晶粒形貌和晶界不明顯。N. P. Bezhenar利用X光衍射分析了8GPa、2300K條件下燒結的AlN和c-BN複合材料,結果發現AlN晶體晶胞體積減少了0.10-0.12%,晶格參數c/a比減少到1.595-1.597(常壓下AlN的c/a為1.59955).

 

4氣氛燒結

氣氛燒結一般是通過AlN坯體與氣相在燒結溫度下的化學反應,使得坯體質量增加,孔隙減少。氣氛燒結氮化鋁陶瓷是利用鋁粉在氮氣中的氮化反應形成氮化鋁粉末并在高溫下燒結在一起。氣氛燒結AlN陶瓷的反應過程實質上就是鋁粉直接氮化法制備氮化鋁粉,此反應為放熱反應并且非常劇烈。氣氛燒結法因難以得到緻密的燒結體,常被用來制造坩埚等耐腐蝕、高強度的制品,但不适合制造高導熱基闆。

 

5放電離子燒結

放電離子燒結(Spark Plasma Sintering,SPS)是一種上世紀90年代發展起來且現已逐漸成熟的新型快速燒結技術,融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術,具有燒結速度快,晶粒尺寸均勻等特點,設備示意圖見圖4。放電離子燒結除具脈沖電流通過石墨模具産生的焦耳熱和熱壓燒結過程中壓力造成的塑性變形等要素外,根據傳統燒結理論,脈沖電流還能在AlN坯體顆粒之間的尖端處産生電壓,并産生局部放電現象,所産生的等離子,撞擊顆粒表面,導緻物質蒸發,可以達到淨化顆粒表面和活化顆粒的作用。利用放電離子燒結技術在1730℃、50MPa的條件下,隻用5min便可燒結出相對密度為99.3%的AlN陶瓷材料。

 

4 放電離子燒結設備結構示意圖

 

6微波燒結

微波燒結自70年代被引入陶瓷領域以來,受到研究者的廣泛關注。利用微波與介質的相互作用産生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結方法;微波同時使粉末顆粒活性提高,有利于物質的傳遞,圖5為微波燒結爐實物圖。微波燒結也是一種快速燒結法,雖然機理有所不同,但是微波燒結與放電離子燒結都能實現整體加熱而極大的縮短燒結時間,并抑制晶粒生長,所得陶瓷晶體細小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結助劑,以微波在1250℃低溫燒結,可以得到熱導率為66.4W/(m•K)的AlN陶瓷。

 

5 微波燒結爐

 

可以看出,AlN陶瓷無壓燒結能應用在基片材料的燒結,應用最為廣泛;熱壓燒結雖是目前研究比較多的制備手段,能夠獲得高熱導率的AIN陶瓷,但也有其缺點:能耗大、産能低、燒結溫度高;放電離子燒結作為一種比較新的燒結手段,具有高效能、可在較低溫度下燒結等特點,但産率不高,綜合成本偏高,需進一步研究。

 

作者:弋木

 

參考文獻:

1、高導熱AlN 陶瓷低溫燒結助劑的研究現狀,合肥工業大學,吳玉彪等著。

2、粉末特性對AlN 陶瓷緻密化的影響,北京科技大學,秦明禮等著。

3、AlN陶瓷的高壓燒結研究,吉林大學,李小雷著。

4、氮化鋁陶瓷的燒結技術,北京工業大學,楊東升著。

5、氮化鋁及氮化硼納米材料的直流電弧法制備與高溫高壓研究,吉林大學,賈岩著。

6、電子封裝用AlN燒結工藝及機理,南昌大學,劉盟。

7、凝膠注模(非水基)成型制備氮化鋁陶瓷和模拟 3D 打印技術制備陶瓷材料,許學順。

8、陶瓷薄片的流延成型工藝概述,宋占永等。

9、陶瓷成型加工技術進展,康永等。

10、先進陶瓷工藝學,劉維良等。