氮化鋁陶瓷研究的進展概況

梁井生

[摘 要]氮化鋁陶瓷室溫強度高（400-500MPa），在高溫條件下使用，其強度隨溫度升高下降緩慢，而且氮化鋁陶瓷高溫導熱性高，熱膨脹系數(shù)低，抗熱沖擊性好，是制造陶瓷發(fā)動機非常有潛力的材料。雖然氮化鋁粉末早在1896年就合成成功，但由于氮化鋁粉末很難燒結(jié)，氮化鋁陶瓷的研究從上世紀五十年代才開始，在有添加劑的條件下，能制得致密的氮化鋁陶瓷。幾十年來通過許多研究者的不懈努力，在氮化鋁粉末的制備、成形、燒結(jié)等方面的研究均取得了長足進展，對氮化鋁陶瓷的常溫及高溫性能也有研究。

[關(guān)鍵詞]氮化鋁陶瓷高強度 高導熱率 研究概況

中圖分類號：TQ174.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）08-0065-01

Ⅰ-1 研究AlN陶瓷的意義

AlN陶瓷室溫強度高（400-500MPa），強度隨溫度升高下降緩慢。AlN陶瓷1300℃下的高溫強度比常溫強度低約20%，而熱壓或同溫度下的高溫強度比常溫強度低約50%。AlN材料的高溫導熱性（20℃的導熱系數(shù)為170W/mk）和低熱膨脹系數(shù)（20-500℃：4.8×/℃；100-1000℃：5.7×/℃），保證其制品耐熱沖擊性好。AlN材料這些優(yōu)越特性顯示出它有希望在陶瓷發(fā)動機材料中爭得一席之地。

I-2 AlN陶瓷研究的進展概況

AlN粉末的合成已有很長的歷史，最早的合成方法可以追溯到1896年的Geuther[1]法。對AlN的正式研究可分為三個階段。第一階段從本世紀初開始，采用Serper法合成AlN，爾后用Harber的空氣中氮氣固定法制備AlN。由于AlN難以燒結(jié)，一直到本世紀五十年代均未取得令人鼓舞的進展。第二階段從五十年代后期開始，將AlN作為一種非氧化物陶瓷材料加以研究，摸索出一系列促進AlN燒結(jié)的添加劑，取得一系列可喜的成績。1960年Taylor和Lenie[2]在加入添加劑的情況下，采用熱壓燒結(jié)制成AlN陶瓷，抗折強度達265Pa。第三階段始于近幾年，人們將AlN陶瓷伯為高導熱率的絕緣散熱材料予以研究，并力圖把它推向?qū)嵱没Ｈ毡究茖W家致力于合成易于燒結(jié)的AlN粉末，以求材料具有高的導熱率。如東芝公司的米屋騰利[3]于1986年用作原料，用堿土金屬與稀土金屬混合物作添加劑，在氮氣氛中合成的AlN粉末，在無壓燒結(jié)下，其密度均在99%以上。1985年日本電氣株式會社的黑川弘[4]等人把堿土金屬的鹵化物（氯化物和氟化物）引入AlN粉末中，熱壓燒結(jié)出相對密度99%的AlN陶瓷，其導熱率達140W/mk。日本TDK（株）陶瓷研究部已制成AlN系列的高導熱性AlN基板。

對AlN材料高溫性能的系統(tǒng)研究，以往的文獻報道具較少。燒結(jié)的AlN陶瓷在800℃至1100℃的氧氣中的氧化速率很低，在1100℃只有8%被氧化。Abid[5]等人研究了AlN粉末及GaAs板上AlN薄膜的氧化性，結(jié)論是AlN粉末在空氣中可穩(wěn)定到1000℃，在真空中可穩(wěn)定到1400℃。當AlN粉末置于100℃的沸水中，將形成γ-AlOOH，但AlN粉末在室溫下不易與潮濕空氣起反應。GaAs板上的AlN薄膜在900℃和1100℃的氧氣氣氛中，不發(fā)生氧化反應。Sakai[6]研究了氧組分對熱壓AlN陶瓷抗彎強度的影響，指出：AlN粉末顆粒表面的氧化層與AlN反應生成氧氮化鋁或假AlN聚晶體，會有2.7Wt%氧元素的AlN在2000℃熱壓可達最高抗折強度（48）。

國內(nèi)對AlN材料的研究很少，近幾年才有關(guān)于研究AlN方面的報道。1984年798廠設(shè)計所參照日本電氣化學工業(yè)公司的高純AlN粉末制造方法，用鋁粉氮化合成了AlN粉末[7]。用這種粉末在氮氣氛下熱壓燒結(jié)制出AlN陶瓷，其抗折強度為115.3MPa。1986年上海硅酸鹽研究所的黃麗萍等人進行了AlN粉末合成的研究[8]。1988年，國家建材研究設(shè)計院著手進行AlN基板的試制工作。武漢工業(yè)大學研究生馬峻峰對AlN/SiC晶須復合材料作了有意義的探索。他的實驗結(jié)果表明，晶須的加入能提高AlN陶瓷的韌性（提高52.5%），但抗折強度下降（抗折強度損耗26%）。

近年來，隨著納米材料的興起，其較強的小尺寸效應、表面效應使得晶粒的表面能增加，燒結(jié)活性增強，從而可以顯著地提高燒結(jié)速度，使微觀結(jié)構(gòu)均勻一致，極大地改善了材料的性能。添加普通燒結(jié)助劑，僅僅降低液相產(chǎn)生的溫度。如果添加劑采用納米粉，因其比表面積增大，表面活性極高，除降低液相溫度外還可增大燒結(jié)驅(qū)動力，進一步促進燒結(jié)。添加納米助劑促進氮化鋁陶瓷的燒結(jié)是一種新思路、新方法，同時還具有實用性。放電等離子燒（SparkPlasmaSintering，SPS）是一種新穎的具有獨特技術(shù)優(yōu)勢的燒結(jié)技術(shù)，在促進AlN燒結(jié)致密化和降低制備成本方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＠钐圆捎眉兊腁lN粉在1800℃下保溫15min得到致密度為97.5%的燒結(jié)體；而添加可顯著促進AlN的燒結(jié)，采用100℃/min的升溫速率，在1650-1700℃下保溫5min均可得到接近理論密度的試樣，比同樣燒結(jié)條件下的純AlN提高了10%以上。由此可見，SPS燒結(jié)和引入燒結(jié)助劑均有利于AlN粉體的燒結(jié)。微波燒結(jié)（MicrowaveSintering）是一種新型、高效的燒結(jié)技術(shù)，具有傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性。ChengJiping采用微波燒結(jié)技術(shù)在較高燒結(jié)溫度（1850℃）下制備得到AlN透明陶瓷。而盧斌等人采用微波燒結(jié)技術(shù)在較低溫度（1700℃×2hr）下獲得相對密度達99.7%的AlN透明陶瓷。因此，盡管不添加任何燒結(jié)助劑的微波燒結(jié)法被認為是一條獲得AlN透明陶瓷非常有前途的低成本化技術(shù)途徑，但是受微波燒結(jié)設(shè)備的限制，通常很難獲得較低的燒結(jié)溫度，因此，有必要開展微波低溫燒結(jié)工藝制備AlN透明陶瓷的研究。無壓燒結(jié)（Pressurelesssingtering）是實現(xiàn)大規(guī)模燒結(jié)最合適的技術(shù)，也是目前通用的燒結(jié)氮化鋁基板材料的方法。該技術(shù)采用無壓燒結(jié)設(shè)備，在燒結(jié)過程中充0.1MPa的氮氣壓力，在1750℃進行燒結(jié)。日本的丸和公司采用無壓燒結(jié)制備了尺寸128mm×128mm×0.5mm的大尺寸氮化鋁基板，廣泛的應用于電動車IGBT模塊的封裝材料[9]。

Ⅰ-3 展望

由于AlN陶瓷具有優(yōu)良的熱、電、力學性能，氮化鋁陶瓷引起了國內(nèi)外材料研究者的廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對所用材料的性能提出了更高的要求。氮化鋁陶瓷也必將在許多領(lǐng)域得到更為廣泛的應用。雖然多年來通過許多研究者的不懈努力，在粉末的制備、成形、燒結(jié)等方面的研究均取得了長足進展，但就目前而言，氮化鋁的商品化程度并不高，這也是影響氮化鋁陶瓷進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。為了促進氮化鋁研究和應用的進一步發(fā)展，必須做好下面兩個研究工作：

1、批量低成本生產(chǎn)出商品AlN粉末；

制約氮化鋁商品化的主要因素就是價格問題，若能以較低的成本制備出氮化鋁粉末，將會大大提高其商品化程度。

2、復雜AlN陶瓷部件的成型技術(shù)。

參考文獻

[1]G.Long and L.M.Foster，“Aluminum Nitride，Arefractory for Alumimum to 2000℃”J.Am.Ceram.Soc.，42[2]（1959）P53-59

[2]K.M.Taylar and C.Lenie，”Some Properties of AlN”.J.Electrochem.Soc.，107[4]（1960）

[3]米屋勝利、井上寬等，“易燒結(jié)性氮化鋁陶瓷粉末的制造方法”。公開特許公報（A），昭和61-155210。