论文部分内容阅读
氮化铝(AlN)陶瓷由于其优异的性能目前在集成电路、半导体、微波器件、红外窗口、蒸发舟皿等领域有着广泛的应用和巨大的潜力。现有的利用碳热还原法制备AlN粉末的生产工艺存在碳热还原温度高、原料混合均匀难、原料获取难、能耗高等突出问题。溶液燃烧合成(SCS)作为一种适合制备纳米粉末的有效方法,具有所合成产物活性高、成分均匀、原料易获取、能耗低等众多优势。本文将利用这种方法来制备纳米AlN粉末,研究内容主要包括以下几个方面:(1)采用溶液燃烧合成无定形A1203和C的混合前驱体,以NH3作为反应气体,成功制备出超细纳米AlN粉末。研究了燃烧气氛对合成前驱体的粒度形貌、碳含量以及比表面积的影响,对比不同气氛中燃烧合成前驱体进行碳热还原反应的差异。在Ar中燃烧合成前驱体的碳铝原子比为4.4:1,比表面积为7.4m2/g,在1000℃氮化就生成AlN相,在1300℃氮化2h实现完全氮化,获得粒径20～30nm的超细纳米AlN粉末。无助剂纳米AlN粉末常压1600℃烧结4h后致密度达到98.5%。热力学计算结果表明,无定形Al2O3在NH3中进行碳热还原反应的热力学开始温度为1068℃,无定形A1203在热力学上的开始氮化温度要比γ-Al2O3低50℃。(2)研究了溶液燃烧合成前驱体在低温氮化过程中的物相变化,研究了前驱体中C对A1203结晶相变及碳热还原反应的影响,研究了 AlN颗粒的形核和结晶规律。以N2为反应气体,燃烧合成前驱体的开始氮化温度为]300℃,比球磨混合前驱体的低200℃。在1500℃氮化2h实现完全氮化,获得粒径80～1 00nm的纳米AlN粉末。在碳热还原反应过程中,C不仅起到了还原A12O3的作用,同时抑制了 A1203从高活性晶型向稳定晶型的转变。在燃烧合成前驱体的碳热还原反应过程中,无定形A1203在转变成结晶态A12O3之前,优先与C发生碳热还原反应生成AlN相,这无疑加快了氮化反应进程。AlN相的生成主要分为以下几个阶段,在氮化反应开始阶段,无定形态AlN首先在前驱体的片状颗粒上均匀形核;随后局部区域的无定形态AlN优先发生结晶转变;随着氮化反应的进行,不断发生AlN的形核、结晶和长大;最终所有的A1203全部转变成AlN后,达到完全氮化。(3)研究了溶液燃烧合成纳米AlN粉末的常压烧结致密化规律,研究了烧结助剂、压制压力以及预处理对致密度、显微组织及陶瓷性能的影响。无助剂纳米AlN粉末进行常压烧结时,1700℃烧结4h致密度达到98.4%,维氏硬度和抗弯强度分别为1040HV0.3和277.41MPa。添加3%氧化钇的纳米AlN粉末常压1600℃烧结4h致密度达到99.5%,维氏硬度和抗弯强度分别达到1310HV0.3和350.34MPa。纳米AlN粉在较低压制压力成形后烧结就可以获得高致密度的陶瓷,压制压力过高时坯体会在卸压后发生弹性膨胀,在生坯中产生孔隙和裂纹,从而造成陶瓷致密度和力学性能下降。对AlN脱脂坯进行预处理能降低坯体的氧、碳含量,随着陶瓷中氧含量的降低,第二相种类由富铝盐向着富钇盐转变。预处理提高了 AlN陶瓷的抗弯强度和热导率,经预处理的AlN陶瓷中,1300℃预处理5h的AlN陶瓷抗弯强度为最高值549.28MPa,比未预处理的AlN陶瓷提高了 59.0%,在1500℃预处理10h的AlN陶瓷热导率为最高值144.98W/m·K,比未预处理的AlN陶瓷提高了36.5%。