氮化铝陶瓷材料的研究与应用.ppt

氮化铝陶瓷材料的研究与应用 引 言 正 文 * * 摘要：氮化铝(AlN)陶瓷因具有高热导率、低介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数及其他优良的物理特性,在新材料领域越来越引起人们的关注。此文主要介绍了氮化铝陶瓷粉末的各种制备方法、烧结、氮化铝陶瓷的应用与前景。 氮化铝(AlN) 是一种具有六方纤锌矿结构的共价晶体,纯氮化铝呈蓝白色,通常为灰色或灰白色。晶格常数a = 3. 110A ,c = 4. 978A。Al 原子与相临的N 原子形成岐变的[AlN4 ]四面体,沿c 轴方向Al—N 键长为1. 917A ,另外三个的Al —N 键长为1. 88A。AlN 的理论密度为3. 26g/ cm3 。常压下在2450°C 升华分解。氮化铝材料的优点是室温强度高,且强度随温度升高而下降较缓。 此外, AlN 陶瓷具有高热导率(理论热导率为319W/ (m·K)陶瓷因具有高热导率、低介电常数(约为8. 8) 、与硅相匹配的低的热膨胀系数(20～500 ℃: 4. 8 ×10 - 6/ ℃; 100～1000 ℃: 5. 7 ×10 - 6/ ℃) 、绝缘(体电阻率 1014·cm) 无毒等特点是一种良好的耐热冲击材料。利用它的较高的体积电阻率、绝缘强度、导热率、较低的热膨胀系数和介电常数,可用作大功率半导体器件的绝缘基片、大规模和超大规模集成电路的散热基片和封装基片;利用它的高声波传导速度特性,可用作高频信息处理机中的表面波器件;利用它的高耐火性及高温化学稳定性,可用来制作在1300～2000 ℃下工作的制取熔融铝、锡、镓、玻璃、硼酐等用的坩埚。AlN 已成为新材料领域的一大热点,在粉体合成、成形技术、烧结工艺、显微结构等方面的研究都取得了长足的进展。 1 粉体制备 AlN 陶瓷的制备工艺和性能均受到粉体特性的直接影响,要获得高性能的AlN 陶瓷,必须有纯度高、烧结活性好的粉体作原料。AlN 粉体中的氧杂质会严重降低热导率,而粉体粒度、颗粒形态则对成形和烧结有重要的影响。因此,粉体合成是AlN 陶瓷生产的一个重要环节。 AlN 粉体合成的方法很多,其中用于大规模生产的主要有三种,其他一些方法尚未获得普遍应用。 2. 1 　铝粉直接氮化法 金属直接氮化法的实质在于金属铝在高温下与氮(或氨) 直接反应,生成氮化铝: 2Al + N2 →2AlN (1) 铝与氮的反应系放热反应。当反应开始后停止外部加热,则反应可在加大氮气流量的条件下继续进行到底。铝与氮的反应在500 ℃下开始发生。在500～600 ℃下铝颗粒表面氧化膜(γ- Al2O3) ,通过反应 Al2O3 + 4Al →3Al2O3 生成挥发性的低价氧化物而被去除。当达到700 ℃时,氮化速度明显增大,颗粒表面上逐渐生成氮化物膜,使氮难以进一步渗透,氮化速度减慢。所以,最好进行2次氮化法,即一次氮化在800 ℃下进行1h ; 产物经球磨后,在1200 ℃下进行二次氮化。这样就可以制备出接近化学计量成分的均匀的氮化铝。这是一种思路简单而直接易行的方法,能合成大量纯度较高的AlN 粉,没有什么副反应,目前已用于大规模生产。 2. 2 　Al2O3 碳热还原法 Al2O3 + 3C + N2 →2AlN + 3CO (2) 该法是采用超细氧化铝粉和高纯度碳黑作为起始原料,经过球磨混合,最后置于石墨坩埚中,在碳管炉中N2 气氛下合成. 合成温度范围为:1600～1750 ℃,保温时间4～10h ,然后在N2 气氛中冷却,最终得到黑色粉末状氮化物,然后在空气中,600～700 ℃下保温10～16h ,进行脱碳处理,即得到灰白色、流动性良好的AlN 粉末。这种方法目前在工业生产中应用得最为普遍。一般认为,反应(2) 分为两步完成,第一步由C 还原生成气相中间产物Al (g) 和Al2O(g) ,然后由第二步氮化生成AlN. 在用Al2O3 碳热还原法制备AlN 粉体的工艺中,常加入CaO、CaF2 、Y2O3 等作催化剂,其中加CaF2 可以更为有效地降低活化能,提高反应速度。制备中,总是加适当过量的碳,这样既能加快反应速度,又能提高转化率,还有助于控制粉末团聚和获得理想的粒径分布。 残余的碳可以在空气中837K左右烧除。用碳热还原法合成的AlN 粉体纯度较高,成形和烧结性能都比较好,但合成温度高,反应时间长,粉体粒度也比较大。此方法制备的AlN粉末纯度高,性能稳定,具有良好的成形性与烧结性能. 2. 3 气溶胶(气相反应) 法 与其他方法相比,气溶胶法最适合于连续生产,而且