氮化铝陶瓷(AlN)烧结助剂如何选择

    技术的高速发展使得人们对材料性能的要求越来越高，氮化铝陶瓷材料因其高热导率、低介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数、热化学稳定性好、机械性能良好、无毒无害等优点，广泛应用在大规模集成电路、航空航天等重要领域，受到科研和工业越来越广泛的重视。下面来和钧杰陶瓷一下来了解一下吧
一、为什么需要AlN陶瓷烧结助剂呢？
AlN属于共价化合物，原子间结合力强，自扩散系数小。根据烧结理论，盐类的烧结温度(Ts)和熔点(Tm)的关系为：
AlN熔点为 3300℃，因此AlN陶瓷的烧结温度高达1900 ℃以上，严重制约了其在工业上的应用，添加合适的烧结助剂是降低AlN陶瓷烧结温度的重要方法。

二、烧结助剂的作用原理
烧结助剂为某些稀土金属、碱土金属和碱金属等的化合物， 例如Y2O3、CaO、CaF2、Li2O 等，其能有效促进AlN粉末的烧结，有助于提高烧结样品的热导率。
1、与AlN粉末表面的氧化铝反应，形成低熔物，产生液相，利用液相传质促进烧结，提高材料的致密度；
2、与氧杂质反应，在晶界以Y-Al2O3和Ca-Al2O3化合物的形式析出，降低AlN 晶格的氧含量，起到纯化晶格的作用，从而提高AlN烧结体的热导率。
三、烧结助剂选用原则
1、在较低温度下能与AlN颗粒表层的Al2O3发生共熔，生成液相，且产生的液相对AlN颗粒具有良好的浸润性；
2、液相的流动性好，烧结后期在AlN晶粒生长过程的驱动下向三叉晶界流动，不至于形成AlN晶粒间的热阻层；
3、添加剂与Al2O3有较强的结合能力，以利于脱除氧杂质，净化AlN晶格；
4、添加剂最好不与AlN发生反应，否则容易产生晶格缺陷。
四、烧结助剂的主要分类
AlN陶瓷热力学研究表明，符合条件的低温烧结助剂主要是一些稀土金属氧化物及氟化物Y2O3、YF3碱土金属氧化物CaO、CaF2及氟化物和少量具有还原性的化合物（Li2O、B2O等）。表1为常见的AlN烧结助剂的分类及特点汇总。
由于添加氧化物，会引入氧杂质，不利于AlN基板的热学性能与机械性能的提高，如CaC2助烧剂与AlN反应改变AlN与液相的界面自由能，影响AlN晶粒的生长和致密化。图2为不同烧结助剂对AlN陶瓷的密度和抗弯强度的影响。

采用单一烧结助剂只能有限降低烧成温度，提高样品的热导率也很有限，很难满足使用要求，故材料学者们进行了多元复合体系烧结助剂的研究，以期在更低的温度达到较好的烧成效果。研究表明：复合助烧结剂各组分相互配合，能更有效地降低烧结温度，同时能较大幅度的提高AlN陶瓷的热导率。
（1）Y2O3-CaO系
使用Y2O3-CaO系烧结助剂的AlN陶瓷常采用常压烧结和热压烧结两种工艺制备。常压烧结制备的AlN陶瓷的第二相分布在AlN陶瓷晶界，可以降低烧结体的氧含量；热压烧结AlN陶瓷是在N2气氛下石墨模具中进行的，C还原气氛减少低温烧结AlN的第二相，降低氧含量，由于部分产物以气态的形式挥发，所以热压烧结AlN陶瓷的第二相含量降低。
（2）CaF2-Y2O3系添加剂
随着CaF2含量的减少， 烧结体晶界相逐渐增多， 晶界变宽， 晶粒变小， 热导率在CaF2质量分数为3%时达到最大。CaF2熔融温度低， 低温即可与Al2O3反应形成液相。反应中生成的AlF3在高温下升华， 而钙和氮的化合物熔点较低，在高温下易挥发，所以晶界中主要为铝酸盐相。
（3）CaF2-YF3系烧结助剂
YF3不引入氧，且比Y2O3有着较低的熔点，因此可作为烧结助剂被使用。CaF2-YF3体系在高温下，液相化合物在AlN颗粒之间流动与重新分布，使得其中的YF3有充足的机会与AlN颗粒表面的氧，从而有效地降低了AlN颗粒表面的氧含量，减少了高温下AlN晶格中氧缺陷的形成。加入CaF2 -YF3 系烧结助剂的试样有更高的热导率。

（4）Y2O3-CaO-Li2O系
添加Y2O3-CaO-Li2O系烧结助剂，在AlN陶瓷烧结过程中，Y2O3、CaO和Al2O3结合形成的铝酸盐液相，且保温时间越长，液相量越多。该液相分布于AlN晶界，促进了烧结致密化及杂质在AlN晶界的聚集，将氧原子束缚在晶界第二相中，AlN陶瓷的热导率也逐渐增加。随着烧结时间的延长，AlN晶格内部的氧原子逐步向表面扩散，进一步净化了AlN晶格，热导率迅速增长。该助烧剂体系中Li2O的助烧作用就是明显降低反应温度，改善液相与AlN晶粒的润湿性，促进低温烧结AlN陶瓷的致密化。
氮化铝(AlN)烧结助剂的选择方法及分类钧杰陶瓷就分享到这里啦钧杰陶瓷是一家专业生产特种陶瓷和特种陶瓷加工厂家。公司现有自己的专业技术团队，并与多家科研机构及高等院校建立了密切的产学科研合作关系。钧杰陶瓷常年致力于从事特种陶瓷材料的技术开发、产品设计制造以及现场施工，确保为用户提供优质的特种陶瓷防腐材料及工程服务。咨询钧杰陶瓷联系电话：136 998 99025。