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AIN陶瓷具有高热导率、低介电常数、高电阻率及与硅相近的热膨胀系数等优点,被广泛地用作大功率微波电子器件的基板材料及封装材料。目前,随着微波技术向着更高频率过渡,要求基板的厚度变得更薄,这就对材料的强度提出了更高的要求。本文围绕高强度AlN基复相陶瓷基板的制备,通过在AlN中加入Al2O3,原位反应烧结制备了AlON-AlN复相陶瓷,研究了Al2O3加入量、烧结温度、保温时间、烧结助剂、烧结方式(无压、热压)等对复相陶瓷烧结性能、相组成、显微结构和性能的影响。主要研究结果如下:
研究了在1600~1850℃烧结的试样的相组成。在1600℃下烧结的试样中没有发现γ-AlON晶相的存在,在1650~1800℃的温度范围内可观察到γ-AlON,当温度升高至1850℃时,AlON与ALN发生反应生成新相27R,由此可以确定AlON-AlN复相陶瓷的制备温度为1650~1800℃。
烧结温度对复相陶瓷烧结性能影响的研究表明,Al2O3加入量为30wt%的试样,无压烧结时随着烧结温度从1650℃升高至1700℃,试样气孔率逐渐减小,在1700~1800℃范围内,晶粒尺寸增大,但气孔率无明显变化,约为0.1%。当温度升高至1850℃时,气孔率又有所增加。热压烧结的试样在1650~1800℃范围内气孔率无显著变化,气孔率均比较低,约为0.05%,在1850℃时气孔率同样有所升高。与无压烧结相比,在各温度下热压烧结试样均具有更低的气孔率。
Al2O3和烧结助剂Y2O3加入量对复相陶瓷烧结性能影响的研究结果表明,1750℃下,随着Al2O3加入量从10wt%增加到30wt%,试样气孔率逐渐减小,加入量进一步增加至50wt%于,试样气孔率无明显变化,约为0.24%。随着Y2O3加入量从1wt%增加到5wt%,试样显气孔率先减小后增大,加入量为2wt%的试样气孔率最小,约为0.13%,说明一定量Y2O3和.Al2O3能有效地提高复相陶瓷的致密度。
保温时间对复相陶瓷烧结性能影响的研究结果表明,随着保温时间从1h延长至8h,晶粒尺寸明显增大,保温时间为2h时试样气孔率最低,约为0.24%。
烧结温度对复相陶瓷抗弯强度和热导率影响的研究结果表明,对于Al2O3加入量为30wt%的试样,在1650~1800℃范围内无压烧结时,1700℃烧结的试样抗弯强度与热导率值最大,分别为378MPa和38W/m·K。热压烧结试样的抗弯强度随着烧结温度的升高逐渐降低,1650℃时抗弯强度最大,为457MPa。此外,热压烧结试样的抗弯强度整体高于无压烧结的试样。
Al2O3加入量对复相陶瓷抗弯强度和热导率影响的研究结果表明,对1750℃无压烧结的试样,随着Al2O3加入量从10wt%增加到50wt%,在加入量为30wt%时抗弯强度达最大值355MPa,热导率则随着Al2O3加入量的增加逐渐减小,Al2O3加入量为10wt%时热导率最大,为50 W/m·K。
保温时间对抗弯强度和热导率影响的研究结果表明,对Al2O3加入量为30wt%、1750℃无压烧结的试样,在1~8h保温时间内,保温2h时具有最大抗弯强度355MPa,热导率随着保温时间的延长逐渐增大,保温8h得到最大值59W/m·K。对于热压烧结试样,在保温2h时抗弯强度达到最大值429MPa,延长保温时间对热导率影响不明显,各保温时间下热导率约为65 W/m·K,整体高于无压烧结试样。
Y2O3加入量对复相陶瓷抗弯强度和热导率影响的研究结果表明,随着Y2O3加入量从1wt%增加至5wt%,试样抗弯强度在加入量为4wt%时达最大值,约为355MPa;热导率在加入量为3wt%时达最大值,为41 W/m·K。
Al2O3加入量对复相陶瓷介电性能的影响研究结果表明,对1750℃无压烧结的试样,随着.Al2O3加入量从10wt%增加到50wt%,介电常数由8.44增大至9.14,介电损耗则由0.68×10-3逐渐减小至-0.115×10-3,说明AlON晶相的存在有利于提高复相陶瓷的介电性能。