氧化鋁陶瓷的一些性質(zhì)和物理特性
AIN屬于纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，AI N間的共價(jià)鍵性很強(qiáng)，平均相對(duì)原子質(zhì)量為20．49。G．ASlack估計(jì)純凈AIN單晶的熱導(dǎo)率可達(dá)2．2w·era-’·K’，實(shí)際的測(cè)定值為2w·crn_。·K’，熱壓A1N多晶陶瓷材料的熱導(dǎo)率高值為O．74w·cm-’·K。表3—22列出了幾種AIN試樣的熱導(dǎo)率。
A1N的共價(jià)鍵性很強(qiáng)，通常采取冷壓燒結(jié)工藝制得的A1N陶瓷的密度只有理論值的65％左右，很難制得致密的A1N陶瓷材料。表3—22中試樣9的熱導(dǎo)率很低，主要原因是該工藝方法制得的A1N陶瓷的氣孔率高，密度低。此外，A1N陶瓷的熱導(dǎo)率對(duì)雜質(zhì)非常敏感。氧是A1N陶瓷中的主要雜質(zhì)之一，估計(jì)還可能有碳、硅等雜質(zhì)。氧可以Alo sr0的方式進(jìn)入A1N品格。由于氧的四面體共價(jià)鍵半徑比氮的小，而且A1N的晶格巾每進(jìn)入三個(gè)氧就相應(yīng)地出現(xiàn)．個(gè)Al空位，所以隨著氧在AIN晶格中固溶，使AIN的品格常數(shù)降低。在含碳?xì)夥罩兄苽銩IN陶瓷材料，碳是不町忽視的雜質(zhì)。碳有可能以A120C方式溶解在AIN品格內(nèi)。A1。(X2的晶格參數(shù)比AIN的約大2％，所以A12(X：的固溶將導(dǎo)致A1N的晶格常數(shù)增大。A1N中同溶任何雜質(zhì)都會(huì)顯著降低其熱導(dǎo)率。若固溶時(shí)出現(xiàn)晶格空位，則引起熱導(dǎo)率降低的作用更強(qiáng)。雜質(zhì)存在的部位不同，其對(duì)熱導(dǎo)率的影響也不同。A1N中氧雜質(zhì)固溶到晶格中時(shí)，對(duì)材料熱導(dǎo)率的影響更嚴(yán)重。若雜質(zhì)氧存在于結(jié)合相中，對(duì)材料熱導(dǎo)率的影響降低。x射線(xiàn)分析表明，表3—22中的試樣7就有第二相，估計(jì)相當(dāng)一部分雜質(zhì)氧在第二相中存在。純度和密度是影響AIN陶瓷熱導(dǎo)率的兩個(gè)主要因素。
G．A．Slack通過(guò)以上分析認(rèn)為純A1N晶體的品格常數(shù)為：口一O．311 27 nm，f=O．49816tim，c／a一1．600 4。進(jìn)一步提高A1N材料的純度，其熱導(dǎo)率有可能向理論值靠近。
A1N原料粉末的制備方法有幾種，可在Nz中由超純Al電極間產(chǎn)生直流電弧來(lái)合成，也可將純凈的鋁粉在適當(dāng)溫度下，在通人的Nz中直接進(jìn)行氮化合成。后一方法的氮化在鋁粉的表面進(jìn)行，反應(yīng)物料需要重復(fù)進(jìn)行粉碎和氮化。也可以先在較低的溫度下(例如700~C)通N。進(jìn)行氮化，然后在高溫下(例如2 150~C)進(jìn)一步完成鋁粉的氮化。表3 23列舉了幾種AIN原料粉末的分析結(jié)果。l號(hào)和2號(hào)的A1N原料粉末是用前一種方法合成的，c組的A1N原料粉末是用后一種方法合成的。3號(hào)A1N原料粉末的純度比l號(hào)和2號(hào)的稍低．
采用還原工藝制備高純度A1N粉末，是將氧化銷(xiāo)和炭混合在1 600~C和氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行合成的，其化學(xué)組成為：65．3％A1，33．5％N，1．0％O，O．05％c，37 mg／kg的&，12 mg／kg的Q和15 rag／婦的Fe。該方法制備的AIN粉末顆粒度可達(dá)亞微米級(jí)，燒結(jié)性能良好。
表3—24中列出了采用表3 23中A1N原料制備的A1N陶瓷樣品的制備條件和性能。熱壓是在直徑為1．27 cm的石墨模具、石墨沖頭和高頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行的。冷壓燒結(jié)試樣的成型壓力為276 MPa，按表所列的燒結(jié)條件進(jìn)行。熱壓或燒結(jié)時(shí)通入凈化N!氣流，并維持正壓。從表3—24可看出，用編號(hào)3料熱壓易于得到充分致密的A1N陶瓷；用編號(hào)2料熱壓時(shí)必須將原料磨細(xì)才能得到致密的A1N陶瓷。表3 24中的2 2S和2—3s為276MPa冷壓燒結(jié)的樣品。AIN的理論密度為3．26 g／cm3。
熱壓是制備致密A1N陶瓷的基本工藝。有的研究結(jié)果采用的配方是將(80~75)％AIN+(20~25)％也O。進(jìn)行配料，用500 MPa壓力將配料壓制成直徑為8 mm、長(zhǎng)為15 mm的試棒，試樣經(jīng)1 700~1 800~C燒成后，密度可達(dá)到理論密度的98％，抗彎強(qiáng)度達(dá)到300 MPa以上。SEM分析表明，A1N陶瓷中含有纖維狀晶體，這是由于所用A1N原料純度較低，si含量較高的緣故。實(shí)驗(yàn)表明，AIN陶瓷材料中的纖維狀晶體應(yīng)為"A1 si口N”化合物，該研究對(duì)冷壓燒結(jié)AIN陶瓷有一定參考作用。從高熱導(dǎo)率材料已具有的條件來(lái)看，一般希望盡量減少添加劑的加入量。
國(guó)外有一種半透明A1N陶瓷基片，采用的原料是氧化鋁還原法合成的高純度、細(xì)晶粒的AIN粉末，該粉料中按1．O％ca()配人Ca(NOa)。燒結(jié)劑，成型工藝用流延法或干壓法，燒成工藝采用熱壓燒結(jié)或常壓燒結(jié)，制得完全致密的半透明A1N陶瓷材料(見(jiàn)圖3—29)。半透明AIN瓷和其他陶瓷基片的特性對(duì)比示于表3 25。
