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氮化铝/碳化硅复合材料的制备及应用(AIN/SiC)
发布时间:2021-03-25     作者:zl   分享到:

氮化铝/碳化硅复合材料的制备及应用(AIN/SiC)

  从 AINSiC两种陶瓷材料的晶体结构分析,都具有较高共价键键能,因此在2100℃以下很难以实现烧结致密。AIN/SiC陶瓷制备的途径和工艺条件一直受到研究者的关注。能够降低AIN/SiC复合陶瓷材料制备工艺条件的途径之一,就是采用AIN/SiC复合陶瓷材料的超细复合粉体,由于超细复合粉体的工艺性较好并且可获得的途径较多,成为人们探讨AIN/SiC复合陶瓷材料制备工艺的主要内容。因此可由关注AIN/SiC超细复合粉体的制备工艺入手来了解目前AIN/SiC复合材料的制备。对于AIN/SiC复合粉体的制备,可归纳为以下几个途径。

(1)粉碎法。

粉碎法制备AIN/SiC复合陶瓷材料超细粉体可分为传统工艺与新型工艺。传统工艺采用的手段包括机械球磨粉碎、爆炸反应等。机械粉碎法制备AlN/SiC复合材料粉体的工艺成本较低,工艺操作简单、适合有产量要求的情况。但是通过这些传统工艺制备的 AIN/SiC粉体组分不利于实现均匀分布,粒度范围较宽即超细粉产率低,不易于控制杂质的引入。因而,将传统粉碎法得到的 AlN/SiC复合粉体原料,即便以热压烧结的工艺也难以实现较高的致密和组织均一性,得不到理想的性能。粉碎法的新型工艺包括超声粉碎法、高能球磨法、助磨剂粉碎法等。采用这些新方法制备得到的粉体粒径可小于100nm,组分的均匀性也可获得改善。因此,粉碎法制备AIN/SiC超细粉体的工艺又使人们恢复了兴趣。

(2)Sol-gel 法(即溶胶-凝胶法)

应用溶胶-凝胶法制备AlN/SiC超细粉在近年来成为研究热点,溶胶-凝胶法基本过程是水解反应后的聚合反应。典型的反应可表述为式1和式2

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  Sol-gel法的优势在于可在较低温度下制备成分、粒径均匀分布的高活性复合超细粉。周松青等用溶胶-凝胶碳热氮化法在1550~1650℃获得粒径为0.2um左右的AIN/SiC复合超细粉末,在无烧结助剂情况下1800℃保温1h无压烧结获得致密度97%的烧成产物。

(3)碳热还原-氮化法。

目前对合成AIN/SiC,该方法已进入了较深入的研究阶段。该制备工艺影响因素复杂并且是一个多步反应过程,产物的状态由原料粒径分布、形状、纯度等决定。因其反应机理还没有完全定论,所以该工艺制备AlN/SiC还处于完善阶段。

(4)CVD法。即化学气相沉积法。

该方法通过实现热化学气相反应并使物质形核生长,从而获得超细粉体。CVD法制备粉体的原理是在高温下可使反应产物过饱和,蒸气压显著增加,导致反应产物晶核在气氛中成核并在一定温度下发生晶化。当反应产物随气氛流动和传递进入低温区,温度的降低抑制了颗粒生长、聚集以及晶化,即可获得超细粉。该方法的优势在于制备粉体可调的工艺参数很多,适合工艺优化调整,制备AIN/SiC粉体可获得粒径分布窄、优良分散的极细粉。利用流化床CVD法,使SiC粉末在N2NH;流化床与AlCI3气体在800~1000℃高温作用,得到烧结性能优异的AIN/SiC 复合粉体。

(5)自蔓延法。

自蔓延法,是利用强制点燃引发的化学反应放热,为周围未反应原料提供温度骤然升高的条件从而继续引发反应的高温合成无机非金属材料的方法。其工艺特点在于反应迅速、易于实现、易于获得高纯产物等。对AIN/SiC复合材料形成固溶有较高的工艺优势。陈克新等[9'Al粉、Si粉和碳黑为原料,以自蔓延法制备了圆整度较高的AIN/SiC粉体。以AlSiCB-SiC为原料自蔓延制备AIN/SiC粉末的同时,指出粉末晶相成分的均匀度随着N2气压增大而得到完善。

AlN/SiC复合材料的应用

  AlN/SiC材料复合能够解决单纯的氮化铝和单纯的碳化硅难于烧结的难题,并且烧结产物的力学性能由于生成AIN-SiC固溶体而得到显著的提高。AIN/SiC复合材料高温耐蚀性较好,在1200℃以下具有很好的耐氧化性能。由于 SiC本征热导较低的原因,在热导方面AlNSiC的复合应比氮化铝单质低,但是如在体系中预加氮化铝,仍然能够在一定程度上弥补热导的欠缺,得到具有一定较好导热性的材料,可以设想应用在大规模集成电路中作为基板材料。

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