国产精品白丝一区二区三区,国产成人区一区二区三波多野结衣,国产美女一区二区三区视频,黑人巨大精品欧美一区二区免费,天天干天天做天天玩,99精品久久久久蜜臀,麻豆精品一区二区视频在线,亚洲精品第一区二区

 
上海全碩電爐有限公司
服務(wù)咨詢熱線
掃一掃
服務(wù)咨詢熱線
021-58923658
關(guān)注我們
18939955105
Shanghai Alarge Furnace Co., Ltd
關(guān)于我們
當(dāng)前位置：
氮化物陶瓷基板燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展
來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng) | 作者:上海全碩 | 發(fā)布時(shí)間: 2024-11-05 | 311 次瀏覽 | 分享到:

氮化物陶瓷性能特征



氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素以共價(jià)鍵相結(jié)合的難熔化合物為主要成分的陶瓷，是一類具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫和優(yōu)良熱學(xué)、電學(xué)性能的陶瓷材料，目前在冶金、化工、電子、機(jī)械等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的工程運(yùn)用。

氮化物陶瓷是一類重要的結(jié)構(gòu)與功能材料。其主要特征包括[1]：

（1）多數(shù)氮化物的熔點(diǎn)都比較高，部分氮化物如Si3N4、BN、AlN在高溫下不出現(xiàn)熔融而直接升華分解，其分解溫度或熔點(diǎn)接近或高于2000℃；

（2）高硬度和高強(qiáng)度，Si3N4、TiN和立方氮化硼（c-BN）的硬度都很高，其中c-BN是硬度與金剛石相當(dāng)?shù)某膊牧希煌瑫r(shí)Si3N4、Sialon、AlN、TiN具有較高的強(qiáng)度；

（3）多數(shù)氮化物的蒸氣壓達(dá)到10-6Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度在2000℃左右；與氧化物相比，氮化物的抗氧化能力較差，其在空氣條件下的使用受到一定限制。綜合來(lái)看，氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷具有良好的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及高溫物理性能，可以作為高強(qiáng)度機(jī)械部件、耐熱部件、耐腐蝕及耐磨損部件，在冶金、航空航天、化工、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、電子、機(jī)械及半導(dǎo)體等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。




目前，應(yīng)用較廣的氮化物陶瓷有氮化硅（Si3N4）、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）等陶瓷。其中，由于具有優(yōu)異的硬度、機(jī)械強(qiáng)度和散熱性，氮化硅陶瓷和氮化鋁陶瓷可制成用于電子封裝的陶瓷基板，具有良好的發(fā)展前景。氮化鋁陶瓷基板的最大優(yōu)勢(shì)是它的熱導(dǎo)率較高，且具有與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，因此在解決大功率器件散熱方面的確是一把好手。而氮化硅陶瓷主打的就是一個(gè)全面性，在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強(qiáng)度高(大于800MPa)，耐磨性好，被稱為綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，在強(qiáng)度要求較高的散熱環(huán)境下要強(qiáng)于其他材料。BN材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒(méi)有突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格昂貴，與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配，目前仍處于研究中。

2

氮化物陶瓷基板燒結(jié)技術(shù)



目前氮化物陶瓷基板主流的材料是氮化硅（Si3N4）和氮化鋁（AlN）。目前常用的燒結(jié)技術(shù)如下：

  • 熱壓燒結(jié)（HPS）

熱壓燒結(jié)(HPS)是一種通過(guò)軸向機(jī)械加壓的方式在燒結(jié)時(shí)的升溫階段對(duì)模具中的燒結(jié)體施加通常為30~50MPa的壓力。通過(guò)這種加壓方式達(dá)到對(duì)粉體燒結(jié)過(guò)程提供了大量的燒結(jié)所需驅(qū)動(dòng)力，從而使燒結(jié)體升溫致密化速率與晶粒高溫生長(zhǎng)速率比增加，也減少了陶瓷致密化所需的溫度與時(shí)間。這種辦法通過(guò)施加壓力為粉體提供了額外的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，縮短了燒結(jié)時(shí)間，降低了燒結(jié)溫度，還降低了燒結(jié)助劑的用量，從而減少了陶瓷材料的晶界玻璃相，提高了陶瓷燒結(jié)體的高溫耐性。

而單純的熱壓燒結(jié)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)微波器件的迅速發(fā)展，所以很多研究者嘗試在熱壓基礎(chǔ)上引進(jìn)新的技術(shù)。福州大學(xué)劉海華[2]通過(guò)改變氧化釔添加量、粒徑分布、保溫時(shí)間、熱處理時(shí)間，但熱導(dǎo)率最佳值僅為160W/m·K；Deeley等[3]先在研究中引入MgO作為燒結(jié)助劑，再采用熱壓工藝制備出完全致密化的氮化硅材料。該類氮化硅制品很快就得到了應(yīng)用，如Norton公司生產(chǎn)的NC-132型號(hào)氮化硅。

  • 放電等離子體燒結(jié)（SPS）

放電等離子燒結(jié)（SPS），又稱等離子活化燒結(jié)，是將脈沖電流直接打入粉體之間進(jìn)行加熱燒結(jié)。與其他燒結(jié)工藝相比，SPS的優(yōu)點(diǎn)是升溫速率快（30分鐘可達(dá)1600℃）、燒結(jié)時(shí)間短等，缺點(diǎn)是燒結(jié)時(shí)間短，往往使得陶瓷熱導(dǎo)率不高。

日本東京大學(xué)Kobayashi等研究者[4]在SPS燒結(jié)AlN時(shí)加入Y2O3-CaO-B(LaB6)，使溫度降低至1450℃，但熱導(dǎo)率介于30~80W/m·K。該法制得樣品的熱導(dǎo)率普遍低于常壓燒結(jié)，可能是由于晶粒細(xì)小而限制了燒結(jié)體的熱導(dǎo)率。Yang等[5]由SPS制得抗彎強(qiáng)度857.6MPa、硬度14.9GPa和斷裂韌性7.7MPa·m1/2的Si3N4陶瓷，然而熱導(dǎo)率最高只有76W/（m·K）。

  • 氣壓燒結(jié)(GPS)

氣壓燒結(jié)(GPS)是一種在燒結(jié)工藝的升溫階段和保溫階段時(shí)通入并保持一定氣壓力的燒結(jié)方式。通常氣壓燒結(jié)是在封閉爐膛內(nèi)通入1~10MPa壓力的氮?dú)鈦?lái)輔助燒結(jié)。該方法在保障高致密度的同時(shí)，較熱壓或熱等靜壓工藝還具有燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。

Mitomo率[6]先通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：氣壓燒結(jié)氮化硅的致密化程度明顯高于無(wú)壓氮化硅。高壓氮?dú)獾囊肽軌蛴行У卮龠M(jìn)氮化硅的致密化，抑制氮化硅的高溫分解。綜合燒結(jié)產(chǎn)品性能，生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本來(lái)講，GPS是目前最適合氮化硅陶瓷基板的燒結(jié)工藝。

  • 無(wú)壓燒結(jié)（PS）

無(wú)壓燒結(jié)工藝(PS)，亦稱常壓燒結(jié)，是指燒結(jié)過(guò)程中爐內(nèi)的氮?dú)鈮毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓。無(wú)壓燒結(jié)一般分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，AlN陶瓷單純的固相燒結(jié)難以燒結(jié)致密，一般選用液相燒結(jié)。周和平等用相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備在高于1800℃的燒結(jié)溫度下獲得了氮化鋁陶瓷，其密度高達(dá)3.26g/cm3，熱導(dǎo)率達(dá)189 W·m-1·K-1。但該方法所需的燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、能耗較高，而且制備出的燒結(jié)體密度較低，晶粒大小不均勻，晶界處可觀察到較多的塊狀第二相。

通常，無(wú)壓燒結(jié)高性能氮化硅需要較高的燒結(jié)溫度或較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，以及適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑，如氧化釔（Y2O3）和氧化鋁（Al2O3），以降低燒結(jié)溫度和改善致密度。盡管此法簡(jiǎn)便易行，但所得到的氮化硅陶瓷的力學(xué)性能相較于其他方法可能略顯不足。

  • 熱等靜壓燒結(jié)法（HIP）[7]

熱等靜壓燒結(jié)法是以氣體傳遞壓強(qiáng)、并同時(shí)在高溫下進(jìn)行致密化的燒結(jié)方法，通常在1000°C以上的高溫下進(jìn)行，通過(guò)密封環(huán)境中的高壓保護(hù)氣體向陶瓷坯體傳遞壓力，設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部氣壓高達(dá)200MPa。在溫度場(chǎng)與力場(chǎng)的共同作用下，陶瓷坯體的各方向均衡受壓。

在氮化硅陶瓷燒結(jié)方面，HIP燒結(jié)氮化硅陶瓷發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了兩種燒結(jié)方式，一種是直接HIP燒結(jié)法，即玻璃包套工藝；該工藝將成型的氮化硅坯體放入高溫下易變形的玻璃包套中進(jìn)行HIP燒結(jié)，在燒結(jié)完成后通過(guò)機(jī)械方式去除氮化硅表面的包套，這種燒結(jié)方式可以一次燒結(jié)就獲得高致密度、高可靠性、高強(qiáng)度的氮化硅陶瓷，其已經(jīng)在某些特殊領(lǐng)域中成功應(yīng)用，如美國(guó)制備的高溫氮化硅熱機(jī)部件，Norton的NT-164、GTE生產(chǎn)的PY-6等。

  • 微波燒結(jié)法

微波燒結(jié)是通過(guò)微波電磁場(chǎng)中材料的介電損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的技術(shù)。微波同時(shí)使粉末顆粒活性提高，有利于物質(zhì)的傳遞。能實(shí)現(xiàn)整體加熱而極大地縮短燒結(jié)時(shí)間，并抑制晶粒生長(zhǎng)，所得陶瓷晶體細(xì)小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結(jié)助劑，以微波在1250℃低溫?zé)Y(jié)，可以得到熱導(dǎo)率為66.4W/(m?K)的AlN陶瓷。

氮化硅在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生α→β-Si3N4相變轉(zhuǎn)化的過(guò)程，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)會(huì)促進(jìn)氮化硅的相變轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，微波燒結(jié)氮化硅陶瓷具有促進(jìn)相變、降低燒結(jié)溫度、促進(jìn)致密化、改善微觀組織、提高材料性能等優(yōu)點(diǎn)。

3

燒結(jié)工藝優(yōu)化



  • 燒結(jié)助劑的選擇與配比

燒結(jié)助劑的選擇和配比對(duì)氮化物陶瓷的燒結(jié)性能有重要影響。例如，添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑有助于氮化物陶瓷的致密化，得到晶粒細(xì)小、均勻的氮化物陶瓷。此外，通過(guò)調(diào)控?zé)Y(jié)助劑的種類和含量，可以進(jìn)一步優(yōu)化氮化物陶瓷的性能。

Li[8]等人研究了Y2O3/MgO燒結(jié)助劑比例對(duì)Si3N4陶瓷的致密度、相變、微觀結(jié)構(gòu)演變、熱導(dǎo)率的影響，Y2O3/MgO 比例為3:4時(shí)，制備出熱導(dǎo)率98.04 W/m·K，抗彎強(qiáng)度875 MPa及斷裂韌性為 8.25 MPa·m1/2的Si3N4陶瓷。靳也[9]通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝在AlN粉末中摻雜CeO2和Y2O3二元燒結(jié)助劑，以此實(shí)現(xiàn)提升AlN陶瓷導(dǎo)熱性能的目的，當(dāng)Y2O3和CeO2摻雜含量為5wt%和1wt%時(shí)，AlN粉末經(jīng)熱壓燒結(jié)后，熱導(dǎo)率可達(dá)207.8 W/m·K，相對(duì)密度為96.15%。

  • 燒結(jié)溫度和時(shí)間[9,10]

燒結(jié)溫度的提高有助于溶解和擴(kuò)散等傳質(zhì)過(guò)程，使體系黏度降低，流動(dòng)性提高，進(jìn)而促進(jìn)了致密化，但過(guò)高的溫度不僅浪費(fèi)能量，而且會(huì)導(dǎo)致液相量過(guò)多，黏度過(guò)低，使制品變形，性能惡化，致密性下降。因此，控制適合的燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間是大多數(shù)研究中必須考慮的問(wèn)題。

羅杰等人研究了燒結(jié)溫度對(duì)Si3N4陶瓷致密化的影響。其以MgSi2為燒結(jié)助劑，控制溫度在1300～1500℃進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于1350℃時(shí)，樣品相對(duì)密度低于70%；當(dāng)溫度達(dá)到1400℃時(shí)，樣品相對(duì)密度為99.6%；當(dāng)溫度高于1400℃，樣品密度幾乎不再發(fā)生變化。研究表明：溫度達(dá)到1400℃以后，促進(jìn)了α-Si3N4在液相中的快速溶解，通過(guò)沉淀析出β-Si3N4，使Si3N4陶瓷進(jìn)一步收縮，進(jìn)而大大提升了致密化程度。

王利英等在1500~1800℃范圍內(nèi)燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)溫度的升高有利于AlN陶瓷材料熱導(dǎo)率的增大，得到的AlN陶瓷熱導(dǎo)率從76.9W/(m·K)升高到了113.9W/(m·K)。在燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷。燒結(jié)溫度均勻性的研究也為大批量生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本提供了保障，有利于實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷基片產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。

  • 燒結(jié)氣氛與設(shè)備

燒結(jié)氣氛方面，氮化硅陶瓷燒結(jié)采用氮?dú)飧邏簾Y(jié)。氮?dú)鈿夥湛梢杂行б种?span style="font-family: 'Times New Roman';">Si3N4陶瓷的高溫分解，從而使Si3N4陶瓷可以在更高的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，促進(jìn)Si3N4陶瓷的溶解沉淀進(jìn)程，提高氮化硅α-β相轉(zhuǎn)變，改善氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率。

此外，為防止AlN陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中被氧化，通常選用非氧化性保護(hù)氣氛，如強(qiáng)還原性氣氛（如CO）、還原性氣氛（如H2）或中性氣氛（如N2）。工業(yè)上，AlN陶瓷一般在高流動(dòng)性的N2氣氛中燒結(jié)。

4

氮化物陶瓷燒結(jié)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[11]



  • 新型燒結(jié)助劑的開發(fā)

添加有效的燒結(jié)助劑不僅能夠改善氮化物陶瓷基復(fù)合材料的組織性能，而且可以降低高性能氮化物陶瓷的制造成本。在目前的研究中，燒結(jié)助劑的最佳粒度確定及在基體中的均勻分散是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)非氧化物作為燒結(jié)助劑研究較少、非氧化物如何影響燒結(jié)過(guò)程和致密化效果原因不明，以及材料的高溫性能研究缺失的現(xiàn)狀，今后需重點(diǎn)加強(qiáng)氮化物陶瓷燒結(jié)助劑在這些方面的研究。

  • 低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的探索

隨著電子器件向高功率、小型化方向發(fā)展，對(duì)陶瓷材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)技術(shù)不僅能耗高，還可能對(duì)器件造成熱應(yīng)力損傷。因此，開發(fā)低溫?zé)Y(jié)技術(shù)成為了一個(gè)重要方向。較低的燒結(jié)溫度使得具有高共晶點(diǎn)的助劑體系在致密化階段產(chǎn)生的液相很少，而且具有較高的黏度，溶質(zhì)原子難以擴(kuò)散，顆粒重排和溶解析出均會(huì)受到影響，氮化硅陶瓷難以實(shí)現(xiàn)致密化，相轉(zhuǎn)變也會(huì)受到抑制，進(jìn)而影響氮化硅陶瓷的性能。

近期南方科技大學(xué)汪宏團(tuán)隊(duì)成功研制出在極低溫度（如150℃）下燒結(jié)的致密取向氮化硼（BN）基陶瓷復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)42W/(m·K)，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的低溫陶瓷，為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)提供了新的思路。

參考來(lái)源：
[1]李美娟, 王傳一, 王高強(qiáng), 王傳彬, 沈強(qiáng). 氮化物陶瓷粉體的制備技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2023, 44 (03): 173-182.
[2]劉海華. 熱壓燒結(jié)氮化鋁陶瓷制備工藝的研究[D]. 福州大學(xué), 2018.
[3]DEELEYGG,HERBERTJM,MOORENC.Densesiliconnitride[J].PowderMetallurgy,1961,4(8):145–151.
[4KobayashiR,NakajimaY,MochizukiK,DensificationofAlNCeramicsbySparkPlasmaSinteringunder1550℃[J].AdvancedPowderTechnology,2016,27(3):860-863.
[5]YANG C P, LIU 0, ZHANG B, et al. Elleet of MgF, addition on mechanieal properties and thermal conductivity of silieon nitride ceramies J .Ceramies International,2019.45(10):12757-12763
[6]MITOMO M. Pressure sintering of Si3N4 [J]. Journal of Materials Science, 1976, 11(6): 1103–1107.
[7]秦笑威, 謝志鵬, 姚依旦, 雷輝聰, 范彬彬. 氮化硅陶瓷的燒結(jié)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2022, 43 (06): 971-986.
[8]S Li, H B Chen, W D Wang, et al. Effects of Y2O3/MgO ratio on mechanical properties and thermal conductivity of silicon nitride ceramics[J]. International Journal of Applied CeramicTechnology, 2022, 19(5): 2873-2882.
[9]靳也. 摻雜稀土氧化物制備高熱導(dǎo)率的AlN陶瓷[D]. 華中科技大學(xué), 2021.
[9]王利英, 李小雷, 宿太超, 等. 溫度對(duì)高壓燒結(jié)AlN陶瓷熱導(dǎo)率的影響[J]. 功能材料, 2012, 43(04): 450-453.
[10]羅杰，李俊國(guó)，李美娟，等． 壓力和溫度對(duì)等離子活化燒結(jié) Si3N4陶瓷致密化及相變的影響［J］．人工晶體學(xué)報(bào)，2019，48 ( 8) :1505 －1510．4): 450-453.
[11]文科林, 欒道成, 左城銘, 周新宇, 劉浪, 米書恒, 王正云. 燒結(jié)助劑及增強(qiáng)相對(duì)氮化硅陶瓷材料性能的影響[J]. 中國(guó)陶瓷, 2021, 57 (08): 26-32.



  掃一掃 / 關(guān)注我們