科眾陶瓷廠(chǎng)介紹過(guò)了氮化鋁工業(yè)陶瓷以及氮化鋁的幾種制備流程方法,其實(shí)在整個(gè)陶瓷加工成型中,氮化鋁的陶瓷燒結也是至關(guān)重要的一步,下面我們一起了解一下。
常見(jiàn)的AlN燒結方法:
燒結是指陶瓷粉體經(jīng)壓力壓制后形成的素坯在高溫下的致密化過(guò)程,在燒結溫度下陶瓷粉末顆粒相互鍵聯(lián),晶粒長(cháng)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(yè)陶瓷作為共價(jià)鍵化合物,難以進(jìn)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(guò)溶解產(chǎn)生液相,促進(jìn)燒結。AlN燒結動(dòng)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(gè)問(wèn)題:第一是要提高材料的致密度,第二是在高溫燒結時(shí),要盡量避免氧原子溶入的晶格中。常見(jiàn)的燒結方法如下:
常見(jiàn)的AlN燒結方法:
燒結是指陶瓷粉體經(jīng)壓力壓制后形成的素坯在高溫下的致密化過(guò)程,在燒結溫度下陶瓷粉末顆粒相互鍵聯(lián),晶粒長(cháng)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(yè)陶瓷作為共價(jià)鍵化合物,難以進(jìn)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(guò)溶解產(chǎn)生液相,促進(jìn)燒結。AlN燒結動(dòng)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(gè)問(wèn)題:第一是要提高材料的致密度,第二是在高溫燒結時(shí),要盡量避免氧原子溶入的晶格中。常見(jiàn)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(guò)程中,坯體不受外加壓力作用,僅在一般氣壓下經(jīng)加熱由粉末顆粒的聚集體轉變?yōu)榫Я=Y合體,常壓燒結是最簡(jiǎn)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(cháng)保溫時(shí)間可以提高氮化鋁陶瓷的致密度。由于A(yíng)lN為共價(jià)鍵結構,純氮化鋁粉末難以進(jìn)行固相燒結,所以經(jīng)常在原料中加入燒結助劑以促進(jìn)陶瓷燒結致密化。常見(jiàn)的燒結助劑包括堿土金屬類(lèi)化合物助劑、稀土類(lèi)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(shí)間較長(cháng),但其設備與工藝流程簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)進(jìn)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(lèi)似,只不過(guò)施加的外來(lái)壓力更高,一般稱(chēng)在大于1GPa高壓下進(jìn)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(tài)發(fā)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(guān)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(fā)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).

4、氣氛燒結
氣氛燒結一般是通過(guò)AlN坯體與氣相在燒結溫度下的化學(xué)反應,使得坯體質(zhì)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(guò)程實(shí)質(zhì)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(lái)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(fā)展起來(lái)且現已逐漸成熟的新型快速燒結技術(shù),融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù),具有燒結速度快,晶粒尺寸均勻等特點(diǎn),設備示意圖見(jiàn)圖4。放電離子燒結除具脈沖電流通過(guò)石墨模具產(chǎn)生的焦耳熱和熱壓燒結過(guò)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A(yíng)lN坯體顆粒之間的尖端處產(chǎn)生電壓,并產(chǎn)生局部放電現象,所產(chǎn)生的等離子,撞擊顆粒表面,導致物質(zhì)蒸發(fā),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(shù)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(yè)陶瓷材料。
氣氛燒結一般是通過(guò)AlN坯體與氣相在燒結溫度下的化學(xué)反應,使得坯體質(zhì)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(guò)程實(shí)質(zhì)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(lái)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(fā)展起來(lái)且現已逐漸成熟的新型快速燒結技術(shù),融合等離子活化、熱壓、電阻加熱等技術(shù),具有燒結速度快,晶粒尺寸均勻等特點(diǎn),設備示意圖見(jiàn)圖4。放電離子燒結除具脈沖電流通過(guò)石墨模具產(chǎn)生的焦耳熱和熱壓燒結過(guò)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A(yíng)lN坯體顆粒之間的尖端處產(chǎn)生電壓,并產(chǎn)生局部放電現象,所產(chǎn)生的等離子,撞擊顆粒表面,導致物質(zhì)蒸發(fā),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(shù)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(yè)陶瓷材料。
6、微波燒結
微波燒結自70年代被引入陶瓷領(lǐng)域以來(lái),受到研究者的廣泛關(guān)注。利用微波與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生介電損耗而使坯體整體加熱的燒結方法;微波同時(shí)使粉末顆?;钚蕴岣?,有利于物質(zhì)的傳遞,圖5為微波燒結爐實(shí)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(shí)現整體加熱而極大的縮短燒結時(shí)間,并抑制晶粒生長(cháng),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。
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本文“氮化鋁工業(yè)陶瓷的常用燒結方法介紹”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2019-03-16 17:06:27
科眾陶瓷是專(zhuān)業(yè)的工業(yè)陶瓷加工生產(chǎn)廠(chǎng)家,可來(lái)圖來(lái)樣按需定制,陶瓷加工保證質(zhì)量、交期準時(shí)!
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