氮化鋁(AlN)是二元Al-N系中，唯一穩(wěn)定的化合物。在氮化鋁的各類性能中，其熱學(xué)性能（高熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)）及電學(xué)性能（高電阻、絕緣耐壓）在眾多陶瓷材料中最為獨特。憑借優(yōu)異的性能，AIN陶瓷目前在集成電路、半導(dǎo)體、微波器件、紅外窗、蒸發(fā)舟皿等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和巨大的潛力。

氮化鋁陶瓷器件

不過要發(fā)揮出AlN陶瓷的熱學(xué)、力學(xué)性能，前提就是AlN陶瓷的燒結(jié)致密度足夠高。但由于AIN屬于共價化合物，原子自擴散系數(shù)小，在2260-2500℃時直接發(fā)生升華，因此純AIN 粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)致密，而致密度較低的AIN陶瓷很難獲得高的熱導(dǎo)率。因此要制備高熱導(dǎo)率的AlN陶瓷，必須找出能夠促進AlN燒結(jié)、影響致密度的因素。據(jù)研究，主要有：AIN粉料的細度、表面活性、添加劑種類及含量等。

1.粉末粒度

AlN燒結(jié)過程的驅(qū)動力為表面能，用于燒結(jié)的原料粉末越細小，比表面積就越大，燒結(jié)驅(qū)動力越高。在燒結(jié)過程中，粉末粒徑細小可以降低物質(zhì)傳遞距離，有助于燒結(jié)的進行。比如說不使用燒結(jié)助劑時，無壓燒結(jié)AlN通常需要1900℃以上的高溫，而根據(jù)AIN的熱穩(wěn)定性，燒結(jié)溫度又限于2000℃以下，因此就需要采用燒結(jié)活性高的超細AlN粉末，以求在較低溫度獲得較高致密度。

氮化鋁粉體

除此之外，顆粒粒徑分布對燒結(jié)過程也有影響，粒徑分布不均勻的原料在燒結(jié)過程中容易產(chǎn)生個別晶體異常長大，從而影響燒結(jié)均勻性。

2.成型過程

粉末成形時所受壓力大小，除了影響坯體強度外，還影響原料粉末接觸緊密程度，使得壓制坯體的致密度不同，這對后期燒結(jié)會產(chǎn)生影響。

一般來講，如果使用的是干壓成形，成形壓力越大，粉末顆粒之間接觸越緊密，越有利于物質(zhì)的傳遞，從而越有利于燒結(jié)致密化。但過高的壓制壓力會造成模具磨損，還會使坯體密度分布不均勻，造成斷層或脫模時碎裂。而如果使用的是流延成形或者注射成形，坯體在成形過程中加入了多種粘結(jié)劑，粘結(jié)劑在脫脂過程中脫除不夠徹底，也會造成燒結(jié)過程樣品會出現(xiàn)鼓泡、開裂等現(xiàn)象。

氮化鋁陶瓷片

目前在工業(yè)上，粉末在經(jīng)過干壓成形或流延成形得到生坯后，會將生坯再置于冷等靜壓條件下進一步提高其致密度和一致性，減少在燒結(jié)過程中因生坯不均勻所造成的的燒結(jié)不致密現(xiàn)象。

3.燒結(jié)助劑

前面提到了AlN屬于共價化合物，原子自擴散系數(shù)小，因此燒結(jié)必須在很高的溫度和壓力下進行。為了降低工藝難度及成本，目前所采取的解決措施之一就是添加可促進AlN陶瓷燒結(jié)進行的助劑，主要為稀土或堿土金屬的氧化物或氟化物，如Y₂O₃，CaO，Sm₂O₃，La₂O₃，YF，CaF₂等，目前Y₂O₃是使用最多的燒結(jié)助劑。

目前普遍認為其作用機制是燒結(jié)助劑在較低燒結(jié)溫度下和AIN顆粒表面的Al₂O₃反應(yīng)，生成液相，依靠液相表面張力的作用使固相AIN顆粒重新排列，并通過液相加速傳質(zhì)過程促進致密化。同時它們通過在晶界以Y-Al₂O₃和Ca-Al₂O₃等化合物的形式析出，降低AIN晶格的氧含量，從而提高熱導(dǎo)率。但是，如果在原料中添加過多燒結(jié)助齊，會造成第二相數(shù)量過多并且彼此連續(xù)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱性，理論上燒結(jié)助劑的添加有最佳值。

另外，除了致密度還有另一個影響 AIN 陶瓷熱導(dǎo)率的重要因素是雜質(zhì)含量，尤其是氧含量。由于 AIN 對氧有強烈的親合力，部分氧會固溶入 AIN 的點陣中，從而形成鋁空位產(chǎn)生的鋁空位散射聲子，降低了聲子的平均自由程，進一步導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。因此在高溫?zé)Y(jié)時，要盡量避免氧原子溶入AlN 的晶格中。

資料來源：

納米氮化鋁粉末的制備、燒結(jié)及性能研究，何慶。

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