氧化鋁陶瓷的一些性質和物理特性
AIN屬于纖鋅礦型結構，AI N間的共價鍵性很強，平均相對原子質量為20．49。G．ASlack估計純凈AIN單晶的熱導率可達2．2w·era-’·K’，實際的測定值為2w·crn_。·K’，熱壓A1N多晶陶瓷材料的熱導率高值為O．74w·cm-’·K。表3—22列出了幾種AIN試樣的熱導率。
A1N的共價鍵性很強，通常采取冷壓燒結工藝制得的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陶瓷的熱導率對雜質非常敏感。氧是A1N陶瓷中的主要雜質之一，估計還可能有碳、硅等雜質。氧可以Alo sr0的方式進入A1N品格。由于氧的四面體共價鍵半徑比氮的小，而且A1N的晶格巾每進入三個氧就相應地出現．個Al空位，所以隨著氧在AIN晶格中固溶，使AIN的品格常數降低。在含碳氣氛中制備AIN陶瓷材料，碳是不町忽視的雜質。碳有可能以A120C方式溶解在AIN品格內。A1。(X2的晶格參數比AIN的約大2％，所以A12(X：的固溶將導致A1N的晶格常數增大。A1N中同溶任何雜質都會顯著降低其熱導率。若固溶時出現晶格空位，則引起熱導率降低的作用更強。雜質存在的部位不同，其對熱導率的影響也不同。A1N中氧雜質固溶到晶格中時，對材料熱導率的影響更嚴重。若雜質氧存在于結合相中，對材料熱導率的影響降低。x射線分析表明，表3—22中的試樣7就有第二相，估計相當一部分雜質氧在第二相中存在。純度和密度是影響AIN陶瓷熱導率的兩個主要因素。
G．A．Slack通過以上分析認為純A1N晶體的品格常數為：口一O．311 27 nm，f=O．49816tim，c／a一1．600 4。進一步提高A1N材料的純度，其熱導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電極間產生直流電弧來合成，也可將純凈的鋁粉在適當溫度下，在通人的Nz中直接進行氮化合成。后一方法的氮化在鋁粉的表面進行，反應物料需要重復進行粉碎和氮化。也可以先在較低的溫度下(例如700~C)通N。進行氮化，然后在高溫下(例如2 150~C)進一步完成鋁粉的氮化。表3 23列舉了幾種AIN原料粉末的分析結果。l號和2號的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A1N原料粉末的純度比l號和2號的稍低．
采用還原工藝制備高純度A1N粉末，是將氧化銷和炭混合在1 600~C和氮氣氣氛中進行合成的，其化學組成為：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粉末顆粒度可達亞微米級，燒結性能良好。
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爐內進行的。冷壓燒結試樣的成型壓力為276 MPa，按表所列的燒結條件進行。熱壓或燒結時通入凈化N!氣流，并維持正壓。從表3—24可看出，用編號3料熱壓易于得到充分致密的A1N陶瓷；用編號2料熱壓時必須將原料磨細才能得到致密的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。有的研究結果采用的配方是將(80~75)％AIN+(20~25)％也O。進行配料，用500 MPa壓力將配料壓制成直徑為8 mm、長為15 mm的試棒，試樣經1 700~1 800~C燒成后，密度可達到理論密度的98％，抗彎強度達到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。實驗表明，AIN陶瓷材料中的纖維狀晶體應為"A1 si口N”化合物，該研究對冷壓燒結AIN陶瓷有一定參考作用。從高熱導率材料已具有的條件來看，一般希望盡量減少添加劑的加入量。
國外有一種半透明A1N陶瓷基片，采用的原料是氧化鋁還原法合成的高純度、細晶粒的AIN粉末，該粉料中按1．O％ca()配人Ca(NOa)。燒結劑，成型工藝用流延法或干壓法，燒成工藝采用熱壓燒結或常壓燒結，制得完全致密的半透明A1N陶瓷材料(見圖3—29)。半透明AIN瓷和其他陶瓷基片的特性對比示于表3 25。
