AlN和BN/AlN复相陶瓷的放电等离子烧结及其组织与性能研究

摘要

本文采用放电等离子烧结(SPS)方法制备了AlN陶瓷及BN/AlN复相陶瓷。系统研究了烧结助剂及烧结工艺对AlN陶瓷及BN/AlN复相陶瓷的显微组织结构、热学及介电性能的影响规律，探讨了AlN陶瓷及BN/AlN复相陶瓷的SPS致密化机制，揭示了复合烧结助剂的作用机理。利用后续热处理工艺，对AlN陶瓷及BN/AlN复相陶瓷的显微组织进行调整，改善其热学及介电性能，探讨了热处理工艺的可行性。
　　研究发现，采用SPS方法制备AlN陶瓷时，烧结助剂添加量在2-3wt.％左右，在短时间内可以实现液相烧结机制。只加入单一稀土氧化物烧结助剂，AlN陶瓷的晶格参数c轴尺寸数值与热导率变化不一致，烧结助剂对AlN陶瓷晶格纯化效果不明显。晶间相的分布和数量对AlN陶瓷的热学和介电性能有重要影响。以Sm2O3为烧结助剂的AlN陶瓷的显微组织均匀，热导率较高。添加不同稀土氧化物的AlN陶瓷热导率与介电性能差别不明显。
　　以稀土氧化物和CaF2为复合烧结助剂不仅可以通过与Al2O3反应驱除AlN晶格内部的氧杂质，还可以通过生成可挥发相降低晶间相含量，有效地改善AlN陶瓷的热导率与介电性能。添加复合烧结助剂制备的AlN陶瓷的c轴尺寸变化趋势与热导率变化趋势基本相同，AlN晶格纯化效果显著。当稀土氧化物和CaF2的比例为2:1时，AlN陶瓷的显微组织结构均匀，晶间相分布合理，AlN晶粒发育完善，具有较好的热学与介电性能，有效地实现了复合烧结助剂的双重作用。HREM分析表明，在SPS快速烧结过程中，复合烧结助剂形成的液相在降温过程中在AlN晶粒之间形成少量非晶物质，对材料的性能有一定的影响。
　　引入合适的烧结助剂，采用SPS技术可成功制备致密的BN/AlN复相陶瓷。复合烧结助剂在制备 BN/AlN复相陶瓷过程中同样可起到双重效果，对促进材料的致密化和改善材料性能起到了重要的作用。h-BN没有出现定向排列倾向，片状的BN分布在AlN晶粒周围，阻碍了AlN晶粒的生长，对复相陶瓷的性能有影响。随复合烧结助剂添加量的增加，复相陶瓷中AlN晶粒尺寸增加，热导率先上升后下降，介电常数与致密度变化趋势相同，而介电损耗则呈现先下降后上升趋势。BN加入量越多，其交叉堆积现象明显，复相陶瓷显微组织均匀性与致密度均有所下降，介电常数降低而介电损耗增加。
　　AlN陶瓷经过热处理后，随着主晶粒的进一步的发育长大，使晶间相的分布向更有利于热导率的方向发展，同时某些晶间相挥发，使晶间相含量降低，材料的组成更加纯净。加入复合烧结助剂的AlN陶瓷，尤其是加入CaF2多的试样，纯化AlN晶格效果更明显，热导率显著提高。热处理之后的AlN陶瓷介电常数和介电损耗均有所下降。HREM分析表明，即使经过热处理，AlN晶粒之间少量的非晶物质也不能完全排除。
　　BN/AlN复相陶瓷经过热处理后，AlN、BN主晶相晶粒尺寸均有所增加，晶间相含量降低，热导率提高。可挥发性晶间相的挥发，使复相陶瓷的致密度下降，介电常数下降。热处理使材料内部缺陷减少，杂质元素含量降低，复相陶瓷的介电损耗有所改善。

目录

AlN 和 BN/AlN 复相陶瓷的放电等离子烧结 及其组织与性能研究

STUDY ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTY OF AlN CERAMICS AND BN/AlN COMPOSITES PREPARED BY SPARK PLASMA SINTERING

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 AlN 及 BN 的基本性能及其应用

1.2.1 AlN 的性能与应用

1.2.2 BN 的性能与应用

1.3 AlN 陶瓷的研究现状

1.3.1 AlN 陶瓷的导热性能

1.3.2 AlN 陶瓷的介电性能

1.4 BN/AlN 复相陶瓷的制备与性能研究

1.4.1 BN/AlN 复相陶瓷的制备

1.4.2 BN/AlN 复相陶瓷的性能研究进展

1.5 放电等离子烧结(SPS)烧结技术

1.5.1 放电等离子烧结的工作原理

1.5.2 SPS 制备 AlN 陶瓷、BN/AlN 复相陶瓷研究现状

1.6 本文的研究目的、意义及主要研究内容

1.6.1 研究目的和意义

1.6.2 主要研究内容

第 2 章 材料制备与研究方法

2.1 实验用原材料

2.2 实验设计与制备方法

2.3 性能测试方法

2.3.1 致密度

2.3.2 热导率

2.3.3 介电损耗及介电常数

2.4 显微组织结构分析方法

2.4.1 XRD 物相分析

2.4.2 断口的扫描(SEM)观察

2.4.3 透射电镜(TEM)和高分辨(HREM)观察

2.4.4 扫描-透射电镜(STEM)观察

第 3 章 添加不同稀土烧结助剂的 AlN 陶瓷的组织与 性能

3.1 成分设计及烧结工艺

3.2 稀土烧结助剂添加量对 AlN 陶瓷组织与性能的影响

3.2.1 稀土烧结助剂添加量对 AlN 陶瓷 SPS 致密化的影响

3.2.2 物相分析

3.2.3 显微组织观察

3.2.4 烧结助剂添加量对 AlN 陶瓷性能的影响

3.3 稀土烧结助剂的类型对 AlN 陶瓷组织与性能的影响

3.3.1 稀土烧结助剂类型对 AlN 陶瓷 SPS 致密化的影响

3.3.2 物相分析

3.3.3 显微组织分析

3.3.4 稀土烧结助剂类型对 AlN 陶瓷性能的影响

3.4 本章小结

第 4 章 添加复合烧结助剂的 AlN 陶瓷的组织与性能

4.1 成分设计及烧结工艺

4.2 CaF2 添加量对 AlN 陶瓷的组织与性能的影响

4.2.1 CaF2 添加量对 SPS 致密化过程的影响

4.2.2 物相分析

4.2.3 显微组织分析

4.2.4 CaF2 添加量对 AlN 陶瓷性能的影响

4.3 稀土氧化物添加量对 AlN 陶瓷组织与性能的影响

4.3.1 稀土氧化物添加量对 SPS 致密化过程的影响

4.3.2 物相分析

4.3.3 显微组织分析

4.3.4 稀土氧化物添加量对 AlN 陶瓷性能的影响

4.4 烧结温度对 AlN 陶瓷性能的影响

4.5 保温时间对 AlN 陶瓷性能的影响

4.6 本章小结

第 5 章 BN/AlN 复相陶瓷的组织与性能

5.1 成分设计及烧结工艺

5.2 烧结助剂添加量对 BN/AlN 复相陶瓷组织与性能的影响

5.2.1 烧结助剂添加量对 SPS 致密化过程的影响

5.2.2 物相分析

5.2.3 显微组织分析

5.2.4 烧结助剂添加量对复相陶瓷性能的影响

5.3 BN 添加量对 BN/AlN 复相陶瓷组织与性能的影响

5.3.1 BN 添加量对 SPS 致密化过程的影响

5.3.2 物相分析

5.3.3 显微组织分析

5.3.4 BN 添加量对复相陶瓷性能的影响

5.4 本章小结

第6章 热处理对AlN及BN/AlN复相陶瓷组织与性能 的影响

6.1 实验设计及烧结工艺

6.2 热处理对 AlN 陶瓷组织与性能的影响

6.2.1 热处理对晶间相的影响

6.2.2 热处理对显微组织的影响

6.2.3 热处理对 AlN 陶瓷性能的影响

6.3 热处理对 BN/AlN 复相陶瓷组织与性能的影响

6.3.1 热处理对晶间相的影响

6.3.2 热处理对显微组织的影响

6.3.3 热处理对性能的影响

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历