燒結(jié)溫度對AlN—SiC復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

程衛(wèi)華

【摘 要】采用熱壓燒結(jié)工藝制備了AlN-SiC 復(fù)合材料，用XRD和激光導(dǎo)熱儀等研究了SiC 加入量對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)SiC含量20wt%時，燒結(jié)溫度為1800℃～1950℃，隨著燒結(jié)溫度的升高，熱擴散系數(shù)逐漸增加，熱導(dǎo)率呈逐漸上升的趨勢，熱導(dǎo)率從42.2W·m-1·K-1增加到68.4W·m-1·K-1。

【關(guān)鍵詞】氮化鋁；碳化硅；導(dǎo)熱性能；熱壓燒結(jié)

多相陶瓷材料由于其優(yōu)良的熱機械性能被廣泛應(yīng)用于能源、航空航天、機械、電子等領(lǐng)域[1]。國內(nèi)外研究了AlN-SiC復(fù)合陶瓷材料在室溫和高溫下的機械性能研究[2]，其熱性能（如導(dǎo)熱性）剛剛開始。 熱性能是許多應(yīng)用中最重要的要求之一，特別是在高真空大功率電子設(shè)備中[3]。因此，作者通過熱壓燒結(jié)制造了AlN-SiC復(fù)合陶瓷，研究了相組成和SiC含量對復(fù)合陶瓷熱導(dǎo)率的影響。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備試驗

原材料有：AlN粉，北京鋼鐵研究所，平均粒徑小于0.5μm，純度99.9%；SiC粉，濰坊邦特特種材料有限公司生產(chǎn)，平均粒徑為0.5～0.7μm，純度98.5%，上海榮龍化工廠生產(chǎn)，純度99.95%；TiO2粉，銳鈦型，上海化學(xué)試劑公司；乙醇，南京化學(xué)試劑有限公司，分析純。AlN和SiC粉末以一定比例混合（SiC的質(zhì)量分數(shù)為0%～80%），然后加入一定量的燒結(jié)助劑Y2O3和TiO2，將氧化鋯球用作研磨球，使用無水乙醇作為研磨介質(zhì)，在高能ZM-4L行星式球磨機中，以180r·min-1速球磨4h；然后在約60℃烘箱中除去粉末干燥，然后放入BN涂覆的石墨模具中，置于ZTY-40-20熱壓爐中，燒結(jié)在氮氣（純度≥99%）的條件下進行，30MPa壓力和1800-1950℃1 h。

1.2 試驗方法

用ARL X，T RA型X射線衍射儀（XRD）進行物相分析；采用 LFA447激光導(dǎo)熱儀測定試樣的熱擴散系數(shù)，再計算出熱導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 AlN-SiC復(fù)合材料的物相組成分析

結(jié)果表明，材料的相組成對微波衰減性能有重要影響。因此，AlN-SiC多相衰減材料的相組成分析是影響復(fù)合材料衰減性能的關(guān)鍵因素之一。為了防止樣品與石墨模具之間的粘合，腔體的內(nèi)壁涂有BN層，在N2氣氛中，在實驗復(fù)合材料制備的燒成過程中將試樣浸入石墨模具中材料，1900℃熱壓燒結(jié)。圖1顯示了具有不同SiC含量的復(fù)合材料的X射線衍射圖。從圖中可以看出，在復(fù)合材料中產(chǎn)生雙相Y3Al5O12和TiC。Y3Al5O12是高溫?zé)Y(jié)助劑Y2O3，Al2O3在Al2O3的反應(yīng)中產(chǎn)生；另一個因為樣品涂有BN石墨模具燒結(jié)，它將滲碳到樣品中，從而與試樣中的Ti結(jié)合生成TiC。因此，AlN-SiC復(fù)合材料由四相組成，主晶相為AlN和SiC，次晶相為Y3Al5O12和TiC。

2.2 燒結(jié)溫度對AlN-SiC復(fù)相材料導(dǎo)熱性能的影響

在保溫1h的工藝條件下，選取了1800℃、1850℃、1900℃和1950℃四個燒結(jié)溫度點來分析燒結(jié)溫度對復(fù)相材料導(dǎo)熱性能的影響。表1給出了溫度對SiC含量20wt%的AlN-SiC復(fù)相材料熱擴散系數(shù)和熱導(dǎo)率的影響。

從表1的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)SiC含量為20wt%時，燒結(jié)溫度從1800℃升高到1950℃，隨著燒結(jié)溫度的升高，熱擴散率逐漸增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加 熱導(dǎo)率從42.2W·m-1·K-1增加到68.4W·m-1·K-1，表明燒結(jié)溫度是影響AlN-SiC復(fù)合材料熱導(dǎo)率的因素。

3 結(jié)論

1）AlN-SiC復(fù)相陶瓷材料在燒結(jié)過程中生成了兩種新相Y3Al5O12和TiC，材料的主晶相為AlN和SiC，次晶相為Y3Al5O12和TiC 。

2）燒結(jié)溫度是影響AlN-SiC復(fù)相材料熱導(dǎo)率的一個重要因素。

【參考文獻】

[1]李恒德，肖紀(jì)美.材料表面與界面[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990：105.

[2]Tummala R R.Ceramic and glass-ceramic pack-aging in the 1900s[J].J Am Ceram Soc，1991，74（5）：895-897.

[3]步文博.氮化鋁基復(fù)相材料的制備及其微波衰減性能的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2002：154-155.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint