烧结温度对AlN—SiC复合材料导热性能的影响

程卫华

【摘 要】采用热压烧结工艺制备了AlN-SiC 复合材料，用XRD和激光导热仪等研究了SiC 加入量对复合材料导热性能的影响。结果表明：当SiC含量20wt%时，烧结温度为1800℃～1950℃，随着烧结温度的升高，热扩散系数逐渐增加，热导率呈逐渐上升的趋势，热导率从42.2W·m-1·K-1增加到68.4W·m-1·K-1。

【关键词】氮化铝；碳化硅；导热性能；热压烧结

多相陶瓷材料由于其优良的热机械性能被广泛应用于能源、航空航天、机械、电子等领域[1]。国内外研究了AlN-SiC复合陶瓷材料在室温和高温下的机械性能研究[2]，其热性能（如导热性）刚刚开始。 热性能是许多应用中最重要的要求之一，特别是在高真空大功率电子设备中[3]。因此，作者通过热压烧结制造了AlN-SiC复合陶瓷，研究了相组成和SiC含量对复合陶瓷热导率的影响。

1 试样制备和试验方法

1.1 试样制备试验

原材料有：AlN粉，北京钢铁研究所，平均粒径小于0.5μm，纯度99.9%；SiC粉，潍坊邦特特种材料有限公司生产，平均粒径为0.5～0.7μm，纯度98.5%，上海荣龙化工厂生产，纯度99.95%；TiO2粉，锐钛型，上海化学试剂公司；乙醇，南京化学试剂有限公司，分析纯。AlN和SiC粉末以一定比例混合（SiC的质量分数为0%～80%），然后加入一定量的烧结助剂Y2O3和TiO2，将氧化锆球用作研磨球，使用无水乙醇作为研磨介质，在高能ZM-4L行星式球磨机中，以180r·min-1速球磨4h；然后在约60℃烘箱中除去粉末干燥，然后放入BN涂覆的石墨模具中，置于ZTY-40-20热压炉中，烧结在氮气（纯度≥99%）的条件下进行，30MPa压力和1800-1950℃1 h。

1.2 试验方法

用ARL X，T RA型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析；采用 LFA447激光导热仪测定试样的热扩散系数，再计算出热导率。

2 结果与讨论

2.1 AlN-SiC复合材料的物相组成分析

结果表明，材料的相组成对微波衰减性能有重要影响。因此，AlN-SiC多相衰减材料的相组成分析是影响复合材料衰减性能的关键因素之一。为了防止样品与石墨模具之间的粘合，腔体的内壁涂有BN层，在N2气氛中，在实验复合材料制备的烧成过程中将试样浸入石墨模具中材料，1900℃热压烧结。图1显示了具有不同SiC含量的复合材料的X射线衍射图。从图中可以看出，在复合材料中产生双相Y3Al5O12和TiC。Y3Al5O12是高温烧结助剂Y2O3，Al2O3在Al2O3的反应中产生；另一个因为样品涂有BN石墨模具烧结，它将渗碳到样品中，从而与试样中的Ti结合生成TiC。因此，AlN-SiC复合材料由四相组成，主晶相为AlN和SiC，次晶相为Y3Al5O12和TiC。

2.2 烧结温度对AlN-SiC复相材料导热性能的影响

在保温1h的工艺条件下，选取了1800℃、1850℃、1900℃和1950℃四个烧结温度点来分析烧结温度对复相材料导热性能的影響。表1给出了温度对SiC含量20wt%的AlN-SiC复相材料热扩散系数和热导率的影响。

从表1的热导率数据可以看出，当SiC含量为20wt%时，烧结温度从1800℃升高到1950℃，随着烧结温度的升高，热扩散率逐渐增加，导热系数逐渐增加 热导率从42.2W·m-1·K-1增加到68.4W·m-1·K-1，表明烧结温度是影响AlN-SiC复合材料热导率的因素。

3 结论

1）AlN-SiC复相陶瓷材料在烧结过程中生成了两种新相Y3Al5O12和TiC，材料的主晶相为AlN和SiC，次晶相为Y3Al5O12和TiC 。

2）烧结温度是影响AlN-SiC复相材料热导率的一个重要因素。

【参考文献】

[1]李恒德，肖纪美.材料表面与界面[M].北京：清华大学出版社，1990：105.

[2]Tummala R R.Ceramic and glass-ceramic pack-aging in the 1900s[J].J Am Ceram Soc，1991，74（5）：895-897.

[3]步文博.氮化铝基复相材料的制备及其微波衰减性能的研究[D].南京：南京工业大学，2002：154-155.

[责任编辑：田吉捷]endprint