热处理对AlN陶瓷的热导率及介电性能的影响-硅酸盐学报

热处理对AlN陶瓷的热导率及介电性能的影响 何秀兰1，施磊1，巩庆东1，郭英奎1，叶  枫2 (1. 哈尔滨理工大学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 科学与工程学院，哈尔滨  150040；2. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨  150001) 摘要：采用放电等离子烧结技术制备AlN陶瓷，并利用真空无压烧结方法进行热处理。研究了不同烧结助剂在高温热处理过程中对AlN陶瓷的物相组成、显微组织结构、导热性能及介电性能的影响。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，AlN陶瓷经过热处理后， AlN晶粒进一步发育长大，尽可能实现面接触，材料中的晶间相分布更加合理。与只引入单一稀土氧化物为烧结助剂的AlN陶瓷相比，引入复合烧结助剂稀土氧化物及氟化钙(CaF2)的AlN陶瓷经过热处理后，在有效除氧及生成具有挥发性晶间相双重效果作用下，材料热导率及介电损耗改善效果明显。 关键词：热处理；氮化铝陶瓷；热导率；介电性能 图书分类号：TQ174.75      文献标志码：A    文章编号：0454–5648(2015)09– – 网络出版时间:          网络出版地址： Effect of Heat Treatment on Thermal Conductivity and Dielectric Properties of AlN Ceramics HE Xiulan1，SHI Lei1，GONG Qingdong1，GUO Yingkui1，YE Feng2 (1. School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China;  2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) Abstract: Aluminum nitride (AlN) ceramics prepared by a fast spark plasma sintering method were heat-treated by a vacuum pressureless sintering method. Effect of sintering additive on the phase composition, microstructure, thermal and dielectric properties of AlN ceramics during high-temperature heat treatment process was investigated. The results show that the heat treatment enhances the growth of AlN grains and the distribution of secondary phases. Compared to AlN ceramics with single rare earth oxide, the thermal conductivity and dielectric loss of AlN ceramics with earth oxide-CaF2 multiple sintering additive are improved due to the effects of effective removing oxygen and forming evaporable secondary phases. Key words: heat treatment; aluminum nitride ceramics; thermal conductivity; dielectric property 氮化铝(AlN)陶瓷具有电阻率高、导热性好、介电性能适中及无毒等优异性能，在微电子行业备受关注[ 1–2]。由于AlN属于强共价键性化合物，难于制备高致密烧结体。放电等离子烧结技术 (Spark plasmas sintering，SPS)具有普通烧结方法无可比拟的优越性，可以快速实现陶瓷粉体的致密化过程[3–4]。目前，研究者已将SPS技术应用于制备Si3N4、B4C及SiC等各种材料，并取得众多研究 成果[5–8]。部分研究者尝试采用SPS技术烧结AlN陶瓷，通过引入各种烧结助剂及优化 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参数，实现AlN陶瓷显微组织调控及快速致密化。 Qiao等[9]采用SPS技术在1 600 ℃、未引入烧结助剂的情况下，制备的AlN陶瓷密度达到3.25 g/cm3。由于未有效去除材料中的氧杂质，材料的热导率较低。Li等[10]通过引入稀土烧结助剂(Dy2O3、Er2O3及Y2O3等)，采用SPS技术制得的AlN陶瓷热导率最高为110 W/(m·K)。Khor等[11]采用SPS制备了以Sm2O3为烧结助剂的AlN陶瓷，并深入研究了介电性能，发现介电常数比热压烧结的AlN陶瓷低。目前，在利用SPS烧结AlN陶瓷材料引入烧结助剂方面的相关研究还未有统一定论。另一方面，通过优化工艺参数，改善AlN的导热性能，降低介电损耗，有望将AlN应用于需电阻率高、导热性好及介电损耗低的微波窗及防护板等设备中，扩大AlN陶瓷的应用范围。  与传统热压烧结方法制备的AlN陶瓷相比，采用低温快速SPS技术制备的AlN陶瓷晶粒细小，显微组织结构均匀性略差，因此，其性能也较低。将SPS烧结完成的AlN陶瓷，利用易实现的真空无压烧结方法进行高温热处理，可优化材料内部的显微结构并改善相关性能。本研究首先将引入不同烧结助剂的AlN陶瓷采用SPS方法烧结，然后利用真空无压烧结方法进行热处理，研究不同烧结助剂在热处理过程中对材料的显微组织结构、热传导性能及介电性能的影响及其作用机理。 1 实验 1.1原料及试剂 以平均粒径D50为1 μm的AlN粉为原料，以稀土氧化物Sm2O3(纯度>99%)、Y2O3(纯度>99%)及 CaF2(纯度>99.9%)为烧结助剂。 1.2材料制备  将一定配比的AlN粉与烧结助剂在混料瓶中球磨湿混24 h，烘干后备用。混好的原料粉体直接装入Sumitomo-1080型SPS的石墨模具中，在30 MPa压力下于1 800 ℃保温10 min，充入N2为保护气体。所有AlN陶瓷样品均引入3%(质量分数)助剂，除部分样品单独引入Sm2O3或Y2O3外，其它样品引入Y2O3-CaF2或Sm2O3-CaF2为助剂。表1为样品的组成。 表1 材料组成 Table 1 Compositions of materials 热处理AlN陶瓷的工艺过程为将采用SPS烧结的AlN陶瓷样品放在自制的石墨坩埚中，用适量BN粉将样品包埋，再置于ZSD11F型真空无压烧结炉中，在真空条件下，于1 900 ℃保温1 h，冷却后将样品取出，清洗并进行加工。 1.3样品表征   用D/max-γB型X射线衍射仪 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 样品的物相，扫描范围为10 o ~90 o，扫描速率为4(o) /min。在Quanta 200F型扫描电子显微镜和Tecnai F30型透射电子显微镜上观察样品的显微组织。用Archimeds排水法，在电子天平上进行样品致密度测试。用激光闪光法，利用LFA-427型激光热导仪测试样品的热导率，样品表面喷碳，样品厚度为2.55 mm，直径为12.6 mm。利用高Q腔法，在N5230A型介电测试仪上测定样品的介电损耗与介电常数，样品厚度为1.0 mm，直径为18 mm。 2 结果与讨论 2.1物相分析 图1和图2分别为热处理前后样品S3及样品S2C1的X射线衍射( XRD)谱。加入单一稀土烧结助剂的样品S3，热处理前后的物相无区别，只是晶间相SmAlO3含量略微有所下降。热处理前后的样品S2C1的主晶相均为AlN，晶间相为Ca3Al2O6和SmAlO3相，且经过热处理的样品S2C1晶间相含量略有所降低。复合烧结助剂引入AlN陶瓷后，在SPS快速的烧结过程中，Sm2O3(Y2O3)仍可以与AlN表面存在的Al2O3发生化学反应，生成SmAlO3(YAlO3)相，有利于材料中存在的氧杂质的去除[10]。另外，低熔点的CaF2在烧结过程中可以发生如下反应[12]： 6CaF2 + 2AlN +2Al2O3→4AlF3+ Ca3Al2O6+ Ca3N2 36CaF2 + 2AlN +2 Al2O3 +N2→24AlF3+ Ca3Al2O6+ 3Ca11N8 2.2显微结构分析 图3为AlN陶瓷样品断口的背散射电子像。由于材料中高原子序数区域可吸收更多的背散射电子，则该区域图像会呈亮色。由图3可知，晶间相呈亮白色，AlN晶粒则呈灰色。由图3还可看出，3组未热处理的AlN陶瓷样品的晶间相含量要比相 上述反应生成的Ca3N2 及Ca11N8均为低熔点化合物，在长时间高温的热处理过程中即可挥发， 有利于材料组分的净化，因此，引入复合烧结助剂后，热处理不但有利于AlN陶瓷氧杂质的去除，还有利于生成高温可挥发性物质，使材料中存在的晶间相减少，改善材料的性能[13]。 应的热处理之后的样品高，而且网络状的晶间相呈连续状态分布在AlN晶粒周围。 由图3a可见，样品S3晶间相含量相对较高，主要是由于SPS烧结时间短，材料中的晶间相不能进行充分的均匀化，因此呈块体或偏聚状态的晶间 相包围在AlN晶粒周围。大量的晶间相及不均匀的显微结构会影响材料的声子散射及介电性能[11]。 引入复合烧结助剂的样品S2C1和样品Y2C1 (见图3b图3c)的显微组织结构则相对均匀，晶间相无结大块及聚集现象。因为低熔点的CaF2可生成可挥发性物质，最终使样品中的晶间相数量下降[13]，与样品S3相比，样品S2C1和样品Y2C1的晶间相相对较少，且在材料中的分布也更均匀。 经过热处理的AlN陶瓷显微组织结构发生了明显改变(见图3d~图3f)，AlN晶粒生长发育更加完善，且晶间相含量也相应有所降低，由原来的块状变成点状或线状分布，AlN晶粒之间接触面增大，声子传播更容易进行，有利于热传导。 样品Y2C1和样品S2C1的透射电子显微镜(TEM)照片和第二相包裹体的能谱(EDS)如图4所示。由图4a可知，采用SPS技术烧结的AlN陶瓷晶粒结合紧密，有少量晶间相存在于在AlN晶粒之间。如图4a中箭头所示，样品Y2C1的AlN晶粒内部存在位错，某些位错会形成位错环或位错网，SPS降温过程中未去除的热应力，可能是形成位错网或位错环的主要原因。