氮化鋁工業陶瓷的常用燒結方法介紹

科眾陶瓷廠介紹過了氮化鋁工業陶瓷以及氮化鋁的幾種制備流程方法，其實在整個陶瓷加工成型中，氮化鋁的陶瓷燒結也是至關重要的一步，下面我們一起了解一下。

常見的AlN燒結方法：

燒結是指陶瓷粉體經壓力壓制后形成的素坯在高溫下的致密化過程,在燒結溫度下陶瓷粉末顆粒相互鍵聯，晶粒長大，晶界和坯體內空隙逐漸減少，坯體體積收縮，致密度增大，直至形成具有一定強度的多晶燒結體。氮化鋁工業陶瓷作為共價鍵化合物，難以進行固相燒結。

通常采用液相燒結機制，即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結助劑，并通過溶解產生液相，促進燒結。AlN燒結動力：粉末的比表面能、晶格缺陷、固液相之間的毛細力等。
 
要制備高熱導率的AlN陶瓷，在燒結工藝中必須解決兩個問題：第一是要提高材料的致密度，第二是在高溫燒結時，要盡量避免氧原子溶入的晶格中。常見的燒結方法如下：

1、常壓燒結

常壓燒結是AlN陶瓷傳統的制備工藝。在常壓燒結過程中，坯體不受外加壓力作用，僅在一般氣壓下經加熱由粉末顆粒的聚集體轉變為晶粒結合體，常壓燒結是最簡單、最廣泛的的燒結方法。常壓燒結氮化鋁陶瓷一般溫度范圍為1600-2000℃，適當升高燒結溫度和延長保溫時間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。由于AlN為共價鍵結構，純氮化鋁粉末難以進行固相燒結，所以經常在原料中加入燒結助劑以促進陶瓷燒結致密化。常見的燒結助劑包括堿土金屬類化合物助劑、稀土類化合物助劑等。一般情況下，常壓燒結制備AlN陶瓷需要燒結溫度高，保溫時間較長，但其設備與工藝流程簡單，操作方便。
 
2、熱壓燒結

為了降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度，促進陶瓷致密化，可以利用熱壓燒結制備氮化鋁陶瓷，是目前制備高熱導率致密化AlN陶瓷的主要工藝方法之一。所謂熱壓燒結，即在一定壓力下燒結陶瓷，可以使加熱燒結和加壓成型同時進行。以25MPa高壓，1700℃下燒結4h便制得了密度為3.26g/cm3、熱導率為200W/(m.K)的AlN陶瓷燒結體，AlN晶格氧含量為0.49wt%，比1800℃下燒結8h得到的AlN燒結體的晶格氧含量（1.25wt%）低了60%多，熱導率得以提高。
 
3、高壓燒結

AlN陶瓷高壓燒結與熱壓燒結類似，只不過施加的外來壓力更高，一般稱在大于1GPa高壓下進行的燒結為高壓燒結。其不僅能夠使材料迅速達到高致密度，具有細小晶粒，甚至使晶體結構甚至原子、電子狀態發生變化，從而賦予材料在通常燒結或熱壓燒結工藝下所達不到的性能。利用兩面頂高壓設備弋Y2O3為燒結助劑在5.15×109MPa、1700℃和115min高溫條件下之燒結致密度為3.343g/cm3的AlN陶瓷。相比常壓燒結，高壓燒結的AlN材料微觀機構更致密和均勻，但晶粒形貌和晶界不明顯。N. P. Bezhenar利用X光衍射分析了8GPa、2300K條件下燒結的AlN和c-BN復合材料，結果發現AlN晶體晶胞體積減少了0.10-0.12%，晶格參數c/a比減少到1.595-1.597（常壓下AlN的c/a為1.59955）.

 

氮化鋁陶瓷片

4、氣氛燒結

氣氛燒結一般是通過AlN坯體與氣相在燒結溫度下的化學反應，使得坯體質量增加，孔隙減少。氣氛燒結氮化鋁陶瓷是利用鋁粉在氮氣中的氮化反應形成氮化鋁粉末并在高溫下燒結在一起。氣氛燒結AlN陶瓷的反應過程實質上就是鋁粉直接氮化法制備氮化鋁粉，此反應為放熱反應并且非常劇烈。氣氛燒結法因難以得到致密的燒結體，常被用來制造坩堝等耐腐蝕、高強度的制品，但不適合制造高導熱基板。
 
5、放電離子燒結

放電離子燒結(Spark Plasma Sintering，SPS)是一種上世紀90年代發展起來且現已逐漸成熟的新型快速燒結技術，融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術，具有燒結速度快，晶粒尺寸均勻等特點，設備示意圖見圖4。放電離子燒結除具脈沖電流通過石墨模具產生的焦耳熱和熱壓燒結過程中壓力造成的塑性變形等要素外，根據傳統燒結理論，脈沖電流還能在AlN坯體顆粒之間的尖端處產生電壓，并產生局部放電現象，所產生的等離子，撞擊顆粒表面，導致物質蒸發，可以達到凈化顆粒表面和活化顆粒的作用。利用放電離子燒結技術在1730℃、50MPa的條件下，只用5min便可燒結出相對密度為99.3%的AlN工業陶瓷材料。

6、微波燒結

微波燒結自70年代被引入陶瓷領域以來，受到研究者的廣泛關注。利用微波與介質的相互作用產生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結方法；微波同時使粉末顆粒活性提高，有利于物質的傳遞，圖5為微波燒結爐實物圖。微波燒結也是一種快速燒結法，雖然機理有所不同，但是微波燒結與放電離子燒結都能實現整體加熱而極大的縮短燒結時間，并抑制晶粒生長，所得陶瓷晶體細小均勻。使用Nd2O3-CaF2-B2O3作燒結助劑，以微波在1250℃低溫燒結，可以得到熱導率為66.4W/(m•K)的AlN陶瓷。