以非氧化物为烧结助剂制备高导热氮化硅陶瓷的研究进展

功率半导体器件高电压、大电流、高功率密度的发展趋势,对器件中陶瓷基板的散热能力和可靠性提出了更高的要求,兼具高热导率和优异力学性能的氮化硅陶瓷作为功率半导体器件的首选散热基板材料受到了广泛关注。目前氮化硅陶瓷热导率的实验值与理论值存在较大差距,高温、长时间保温的制备条件不仅会使晶粒过分长大,削弱其力学性能,而且会造成成本高企,限制了其规模化应用。晶格氧缺陷是影响氮化硅陶瓷热导率的主要因素,通过筛选非氧化物烧结助剂降低体系中的氧含量,调节液相的组成和性质并构建“富氮-缺氧”的液相,调控液相中的溶解析出过程,促进氮化硅陶瓷晶格氧的移除及双峰形貌的充分发育,从而实现氮化硅陶瓷热导率-力学性能的协同优化是目前研究的热点。本文基于元素分类综述了当前国内外开发的非氧化物烧结助剂体系,着重从液相调节和微观形貌调控的角度介绍了非氧化物烧结助剂改善氮化硅陶瓷热导率的作用机理,分析了晶粒发育、形貌演变规律和晶格氧移除机制,并展望了高导热氮化硅陶瓷的未来发展前景。

氮化硅陶瓷低温烧结助剂研究进展

氮化硅陶瓷性能优异,然而由于其共价键较强,自扩散系数小,烧结难度较大。目前高性能氮化硅陶瓷主要通过高温气压烧结法制备,烧结温度在1800℃以上,对设备要求较高,制备成本也较高,限制了氮化硅陶瓷的实际应用。低温烧结作为降低氮化硅生产成本的有效途径之一,受到了业界广泛关注。目前国内外关于氮化硅陶瓷低温烧结的研究主要集中在烧结助剂的选择方面,烧结助剂可以分为两类:使用与SiO_(2)共晶温度较低的烧结助剂和使用多组分烧结助剂。综述了这两类低温烧结助剂的研究进展,并提出了低温烧结助剂选择的合理方案。综合来看,要在低温下制得性能良好的氮化硅陶瓷,需选用与SiO_(2)具有低共晶点的烧结助剂,并配合使用多元组分调控氮化硅陶瓷的微观结构和性能。

烧结助剂对C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料组织性能的影响

在制备C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料时,如何有效促进其烧结致密化过程,同时减少对碳纤维的损伤一直是该复合材料工程应用中面临的一大难题。通过在原料中添加B_(4)C-C_(g)、Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)、酚醛树脂等烧结助剂,采用热压工艺制备了C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)复合材料。采用XRD、SEM、EDS、力学性能测试等方法详细研究了烧结助剂类型及含量对复合材料微观组织、力学性能、碳纤维结构等的影响规律。结果表明,添加B_(4)C-C_(g)(2 wt.%)能够在一定程度上缓解碳纤维受到的损伤,复合材料的断裂韧度达7.39 MPa·m^(1/2),且呈现非脆性断裂模式。当B_(4)C-C_(g)的含量为4 wt.%时,过量的烧结助剂无助于复合材料力学性能的继续提高,也无法更加有效地避免碳纤维受到的侵蚀损伤。添加酚醛树脂加大了碳纤维与陶瓷基体之间分散的难度,纤维出现严重的团聚、架桥等现象,致使复合材料力学性能下降。添加Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)能显著提高复合材料的弯曲强度(σbb=147.45 MPa),但生成的YAG相对碳纤维侵蚀严重,纤维的拔出长度较短且表面粗糙,复合材料的断裂韧度为6.94 MPa·m^(1/2)。添加B_(4)C-C_(g)可以适当消除陶瓷粉体表面的氧化膜和杂质,促进原子扩散和复合材料致密化,同时能够在一定程度上减轻碳纤维受到的反应侵蚀损伤现象。

烧结助剂种类对B_(4)C陶瓷摩擦学性能的影响

为了研究烧结助剂种类对B_(4)C陶瓷摩擦学性能的影响,以B_(4)C微粉为原料,分别添加4种不同种类的烧结助剂(炭黑、SiC、Al_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)),采用热压烧结工艺制备B_(4)C陶瓷,研究了添加不同种类烧结助剂的B_(4)C陶瓷与SiC对磨球在干滑动条件下的摩擦与磨损行为。结果表明,在本试验条件下,添加Al_(2)O_(3)烧结助剂的B_(4)C陶瓷(B_(4)C(Al_(2)O_(3)))和对应的SiC对磨球具有最光滑的磨损表面,B_(4)C(Al_(2)O_(3))/SiC摩擦副表现出最低的摩擦系数,B_(4)C(Al_(2)O_(3))陶瓷表现出最低的磨损率。添加炭黑、SiC和Al_(2)O_(3)烧结助剂的B_(4)C陶瓷的磨损机理主要为晶粒断裂,而添加Al_(2)O_(3)-Y2O3烧结助剂的B_(4)C陶瓷的磨损机理主要为晶粒拔出。

烧结助剂TiO_(2)添加量及烧结制度对Cr_(2)O_(3)烧结致密化行为的影响

以Cr_(2)O_(3)微粉为原料、TiO_(2)微粉为烧结助剂,在不同温度(1000~1500℃)、不同保护气体(氩气、氮气)中烧结制备Cr_(2)O_(3),研究了TiO_(2)添加量(0,1%,3%,5%,质量分数)、烧结温度和烧结气氛对Cr_(2)O_(3)烧结致密化行为的影响。结果表明:随着TiO_(2)添加量增加,试样线收缩率和相对密度增加,致密化程度提高,当TiO_(2)添加量为5%时,线收缩率和相对密度最大,分别为16.25%,92.51%,添加TiO2后形成的(Cr_(0.88)Ti_(0.12))_(2)O_(3)置换固溶体可以提升扩散传质速率,从而促进烧结致密;随着烧结温度升高,Cr_(2)O_(3)的烧结致密化程度先升高后降低,1300°C下烧结最致密,氮气中烧结后在Cr_(2)O_(3)颗粒表面形成Cr_(2)N膜层,可以发挥类似液相作用,提高烧结速率,制备的Cr_(2)O_(3)相比在氩气中更致密。

高导热氮化硅陶瓷用烧结助剂的研究进展

氮化硅被认为是综合性能最好的陶瓷材料,良好的导热性和优异的力学性能使其成为大功率电子器件用陶瓷基板的主流材料,在纯电动/混合电动汽车中得到广泛应用。烧结助剂对氮化硅烧结活性、微观组织和第二相成分及含量影响较大,进而影响陶瓷导热性能,选择合适的烧结助剂对制备高导热氮化硅陶瓷非常重要。本文整理了目前制备高导热氮化硅陶瓷用烧结助剂研究现状,分析了烧结助剂对氮化硅陶瓷导热性及力学性能的影响,并对烧结助剂未来的研究方向和发展趋势提出了展望。

烧结助剂对氮化硅陶瓷热导率影响的研究进展

随着大规模、超大规模集成电路的发展,以及集成电路在通讯、交通等领域的运用。对于基板材料的要求日益严苛,氮化硅陶瓷因为有着优异的力学性能、介电性能和导热性,是作为基板材料的重要候选材料之一。氮化硅陶瓷的理论热导率高达200-320 W/(m·K),但是实际上高热导率的氮化硅难以制成。随着科研者将精力投入到氮化硅上,近年来氮化硅陶瓷的实际热导率得到提高,但是与理论热导率还有着不少差距。据文献记载,选择合适的烧结助剂能够有效的提高氮化硅陶瓷的热导率。本文综述了不同种类的烧结助剂对氮化硅陶瓷热导率的影响。

碳化硅陶瓷的活化烧结与烧结助剂

综述了作为碳化硅陶瓷烧结助剂的热力学条件及液相烧结的有效条件,介绍了碳化硅陶瓷烧结助剂的研究进展.

烧结助剂对自增韧Si_3N_4陶瓷显微结构和性能的影响

研究了烧结助剂质量分数及比例对热压自增韧Si3N4 陶瓷显微结构和力学性能的影响。结果表明 :材料室温抗弯强度和断裂韧性均在烧结助剂的质量分数为 15 %时达到峰值 ,其中 5 %Y2 O3+ 10 %La2 O3+ 85 %Si3N4 体系的抗弯强度达 911.3MPa,断裂韧性达10 .0 2MPa·m1 /2 。同时 ,分析了材料显微结构与力学性能的关系 ,发现自增韧Si3N4 陶瓷中 β-Si3N4

SiC粉末制备技术及其烧结助剂的研究进展

碳化硅(SiC)陶瓷由于具有高温强度高、高温抗氧化能力强、热导率高、化学稳定性好等一系列优异性能,在机械、化工、能源和军工等领域得到广泛应用。本文综述了SiC粉末的各种制备技术的最新研究进展以及烧结助剂的应用现状,阐述了各种方法的特点、基本原理及研究进展,并对几类烧结助剂体系进行了比较。最后展望了各类制备技术今后的研究方向,指出了AlN-Re2O3体系添加剂的优势所在。

ZnO和CuO烧结助剂对KNN压电陶瓷性能的影响

以微波水热法制备的KNN粉体为原料,添加1mol%ZnO、1mol%CuO烧结助剂,采用传统电子陶瓷制备方法,研究了烧结助剂对KNN陶瓷的陶瓷体积密度、显微结构和电性能的影响,结果表明:添加烧结助剂ZnO和CuO可以降低KNN陶瓷的烧结温度,提高KNN陶瓷的体积密度;与此同时,ZnO和CuO添加后降低了KNN无铅压电陶瓷的压电常数d33、介电常数ε33T/ε0,但机械品质因数Qm得到很大的提高,介电损耗tanδ明显降低。其中CuO烧结助剂可以使KNN陶瓷的d33由142 pC/N降低至118 pC/N,Qm值由82提高至427,tanδ由2.46%降低至0.64%。

烧结助剂对硼硅钙微晶玻璃结构和介电性能的影响

研究了烧结助剂P2O5和ZnO对CaO–B2O3–SiO2(CBS)玻璃粉末的助烧作用及其对材料的相组成、显微结构和介电性能的影响。结果表明:未添加烧结助剂在1000℃烧成的样品晶粒粗大(1～3μm),且结构疏松。复合添加2%(质量分数,下同)P2O5和0.5%ZnO后,850℃烧成的CBS微晶玻璃中,包含有β–CaSiO3,α–SiO2和CaB2O43种晶相,晶粒发育细小均匀,粒径为0.5μm左右,具有一定量的玻璃相,且结构致密。加烧结助剂制得的样品在10MHz下,相对介电常数εr为6.38,介电损耗tanδ为0.0018。加复合烧结助剂P2O5和ZnO有效地降低了CBS玻璃粉末的烧结温度(低于900℃),可实现银、铜电极共烧。烧结助剂的作用机理是P2O5促进了液相的生成,ZnO则具有提高液相的粘度,增大烧结温度范围,细化晶粒和防止样品变形的作用。

AlN低温烧结助剂的研究现状

介绍了在 Al N烧结中 ,烧结助剂的种类和加入量对 Al N陶瓷材料的烧结致密度和热传导系数的影响。通过分析不同烧结助剂对 Al N低温烧结 (<16 0 0℃ )的影响 ,认为有效的烧结助剂应该满足以下 4个原则 :1和 Al N颗粒表面 Al2 O3反应生成的化合物的液化温度应该低于 16 0 0℃ ;2在烧结过程中不要诱发 Al N的分解和氧化 ;3应该能以晶界析出 Al2 O3化合物的形式降低 Al N晶格中的氧 ;4形成的 Al2 O3化合物应该有不亚于 Al N的导热性 ,或者该化合物在晶界的含量要足够低。由于单一的烧结助剂无法同时满足以上 4个条件 ,Y2 O3- Ca O- L i2 O复合烧结助剂 ,极有希望成为高性能的 Al

复合烧结助剂对Al_2O_3-ZrO_2陶瓷相对密度的影响

本文就复合烧结助剂对ZrO2-Al2O3陶瓷相对密度的影响进行了研究。以氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化硅(SiO2)为助剂,经过造粒、干压成型和无压烧结,制备了一系列样品。利用XRD和SEM对之进行了表征和分析。结果表明:Al2O3-ZrO2陶瓷的相对密度随SiO2-MgO-Y2O3复合助剂中MgO、Y2O3的增加先增加后减小,随SiO2助剂的增加逐渐减小。最后,从相组成和烧结动力学两方面对实验现象进行了深入分析,同时,利用复合助剂中各种烧结助剂的最佳配方,制得相对密度达0.99的Al2O3-ZrO2陶瓷。

烧结助剂对Sialon常压烧结的影响

研究了以Y2 O3 和Y2 O3 +La2 O3 为烧结助剂的Sialon陶瓷的常压烧结过程及其相结构。结果表明 :添加 6 %Y2 O3 在 175 0℃常压烧结 1h可获得相对密度大于 99%的Sialon陶瓷 ;La2 O3 可部分或大部分取代Y2 O3 ,混合烧结助剂的最佳烧结温度 (180 0℃ )略高于单纯以Y2 O3 为烧结助剂的最佳烧结温度 (175 0℃ )。加入La抑制了α′相和YAG相的生成 ,选择合适的工艺条件 ,可制得α′+β′复相陶瓷。探讨了用Sol Gel化学法混料代替机械法混料的可能性 ,由于γ Al2 O3 转变成α Al2 O3 等原因 ,化学混料法的效果不如机械法。

烧结助剂对反应烧结氮化硅陶瓷的影响

以Si粉和C粉为主要原料 ,在氮气流量为1.2L·min- 1,氮化温度为 1380℃ ,保温时间为 2 0h的条件下 ,研究了分别以 10wt%的MgO、Al、Al2 O3和Al2 O3+Y2 O3粉为烧结助剂对反应烧结氮化硅陶瓷的影响。结果表明 :以MgO粉作烧结助剂时 ,试样的主要成分是MgSiO3,另外还有Si2 N2 O ,但没有Si3N4 生成 ;以Al粉作烧结助剂时 ,试样的主要成分是SiO2 ,仅有少量Si3N4 存在 ;以Al2 O3作烧结助剂时 ,试样的主要成分是β Si3N4 和α Si3N4 ;以 2wt%Al2 O3+8wt%Y2 O3作烧结助剂时 ,试样的主要成分为 β Si3N4 ,同时含有少量α Si3N4 。

以Al-B_4C-C为烧结助剂的SiC陶瓷液相烧结研究

尝试以含Ａｌ、Ｂ、Ｃ的化合物为烧结助剂进行了α－ＳｉＣ粉末的无压烧结，研究了烧结助剂中Ａｌ和Ｂ的配比、烧结温度、保温时间等因素对烧结体密度和力学性能的影响．结果表明，最佳保温时间为１ｈ；当烧结温度为１８５０℃以上时，烧结体的相对密度达到了９０％；当Ａｌ／Ｂ＝３和 ４时，烧结体的性能相对较好．ＸＲＤ显示了Ａｌ８Ｂ４Ｃ７相的存在，表明在烧结过程中反应生成了Ａｌ８Ｂ４Ｃ７，烧结机制是液相烧结．扫描电镜照片显示了断面结构和晶粒形貌．

碳化硅泡沫陶瓷中烧结助剂对莫来石生成的影响

添加几种烧结助剂如硅溶胶、氧化铝、黏土、苏州土和石英的不同组合,研究了烧结助剂对碳化硅泡沫陶瓷中莫来石相生成的影响。实验结果表明:在1 400℃烧结1 h的过程中,氧化铝、黏土和硅溶胶的组合会显著促进莫来石的生成,从而提高碳化硅泡沫陶瓷的高温强度和耐火度。莫来石相在较低温度下的大量生成主要归功于黏土产生液相,以及硅溶胶中非晶态氧化硅对氧化铝颗粒的包裹作用,从而降低了扩散距离。

烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷的力学性能及介电性能的影响(英文)

通过添加烧结助剂,采用常压烧结工艺制备出不同气孔率(19%～54%)的氮化硅陶瓷。采用Archimedes法、三点弯曲法和Vickers硬度测试法测量了材料的密度、气孔率、抗弯强度及硬度。用X射线衍射及扫描电镜检测了相组成和显微结构。用谐振腔法测试了氮化硅陶瓷在10.2GHz的介电特性。结果表明:材料具有优良的介电性能。随着烧结助剂的减少,样品中气孔率增加,力学性能有所下降,介电常数和介电损耗降低。添加Lu2O3所制备的氮化硅陶瓷的力学性能和介电性能优于添加Eu2O3或Y2O3制备的氮化硅陶瓷。当气孔率高于50%时,多孔氮化硅陶瓷(添加入5%的Y2O3或Lu2O3,或Eu2O3,质量分数)的抗弯强度可达170MPa,介电常数为3.0～3.2,介电损耗为0.0006～0.002。

Y_2O_3-MgO-Al_2O_3烧结助剂对SiC陶瓷烧结和导热性能的影响

对SiC粉体进行热处理，采用Y2O3-MgO-Al2O3烧结助剂，在1750～1950℃下30MPa热压烧结1h，制备SiC陶瓷。TG分析SiC的氧化特性，测定Zeta-电位研究SiC粉体的分散特性，测定其高温浸润性研究烧结助剂与SiC之间的亲和性。结果表明：SiC粉体热处理和提高SiC浆体的pH值，有利于提高Zeta．电位，进而提高分散均匀性；Y2O3-MgO-Al2O3烧结助剂高温下与SiC具有良好的浸润性；SiC粉体热处理明显降低了烧结温度。尽管Y2O3-MgO-Al2O3烧结助荆在高温下有一定的挥发，但是当其含量大于等于9％（质量分数）时，1800-1950℃下热压烧结可获得显气孔率小于等于0．19％的致密SiC陶瓷，其热导率大于190W·m^-1·K^-1。