氧化铝陶瓷的一些性质和物理特性

    AIN属于纤锌矿型结构，AI N间的共价键性很强，平均相对原子质量为20．49。G．ASlack估计纯净AIN单晶的热导率可达2．2w·era-’·K’，实际的测定值为2w·crn_。·K’，热压A1N多晶陶瓷材料的热导率高值为O．74w·cm-’·K。表3—22列出了几种AIN试样的热导率。

    A1N的共价键性很强，通常采取冷压烧结工艺制得的A1N陶瓷的密度只有理论值的65％左右，很难制得致密的A1N陶瓷材料。表3—22中试样9的热导率很低，主要原因是该工艺方法制得的A1N陶瓷的气孔率高，密度低。此外，A1N陶瓷的热导率对杂质非常敏感。氧是A1N陶瓷中的主要杂质之一，估计还可能有碳、硅等杂质。氧可以Alo sr0的方式进入A1N品格。由于氧的四面体共价键半径比氮的小，而且A1N的晶格巾每进入三个氧就相应地出现．个Al空位，所以随着氧在AIN晶格中固溶，使AIN的品格常数降低。在含碳气氛中制备AIN陶瓷材料，碳是不町忽视的杂质。碳有可能以A120C方式溶解在AIN品格内。A1。(X2的晶格参数比AIN的约大2％，所以A12(X：的固溶将导致A1N的晶格常数增大。A1N中同溶任何杂质都会显著降低其热导率。若固溶时出现晶格空位，则引起热导率降低的作用更强。杂质存在的部位不同，其对热导率的影响也不同。A1N中氧杂质固溶到晶格中时，对材料热导率的影响更严重。若杂质氧存在于结合相中，对材料热导率的影响降低。x射线分析表明，表3—22中的试样7就有第二相，估计相当一部分杂质氧在第二相中存在。纯度和密度是影响AIN陶瓷热导率的两个主要因素。

    G．A．Slack通过以上分析认为纯A1N晶体的品格常数为：口一O．311 27 nm，f=O．49816tim，c／a一1．600 4。进一步提高A1N材料的纯度，其热导率有可能向理论值靠近。

    A1N原料粉末的制备方法有几种，可在Nz中由超纯Al电极间产生直流电弧来合成，也可将纯净的铝粉在适当温度下，在通人的Nz中直接进行氮化合成。后一方法的氮化在铝粉的表面进行，反应物料需要重复进行粉碎和氮化。也可以先在较低的温度下(例如700~C)通N。进行氮化，然后在高温下(例如2 150~C)进一步完成铝粉的氮化。表3 23列举了几种AIN原料粉末的分析结果。l号和2号的A1N原料粉末是用前一种方法合成的，c组的A1N原料粉末是用后一种方法合成的。3号A1N原料粉末的纯度比l号和2号的稍低．

    采用还原工艺制备高纯度A1N粉末，是将氧化销和炭混合在1 600~C和氮气气氛中进行合成的，其化学组成为：65．3％A1，33．5％N，1．0％O，O．05％c，37 mg／kg的&，12 mg／kg的Q和15 rag／妇的Fe。该方法制备的AIN粉末颗粒度可达亚微米级，烧结性能良好。

    表3—24中列出了采用表3 23中A1N原料制备的A1N陶瓷样品的制备条件和性能。热压是在直径为1．27 cm的石墨模具、石墨冲头和高频感应炉内进行的。冷压烧结试样的成型压力为276 MPa，按表所列的烧结条件进行。热压或烧结时通入净化N!气流，并维持正压。从表3—24可看出，用编号3料热压易于得到充分致密的A1N陶瓷；用编号2料热压时必须将原料磨细才能得到致密的A1N陶瓷。表3 24中的2 2S和2—3s为276MPa冷压烧结的样品。AIN的理论密度为3．26 g／cm3。

    热压是制备致密A1N陶瓷的基本工艺。有的研究结果采用的配方是将(80~75)％AIN+(20~25)％也O。进行配料，用500 MPa压力将配料压制成直径为8 mm、长为15 mm的试棒，试样经1 700~1 800~C烧成后，密度可达到理论密度的98％，抗弯强度达到300 MPa以上。SEM分析表明，A1N陶瓷中含有纤维状晶体，这是由于所用A1N原料纯度较低，si含量较高的缘故。实验表明，AIN陶瓷材料中的纤维状晶体应为"A1 si口N”化合物，该研究对冷压烧结AIN陶瓷有一定参考作用。从高热导率材料已具有的条件来看，一般希望尽量减少添加剂的加入量。

    国外有一种半透明A1N陶瓷基片，采用的原料是氧化铝还原法合成的高纯度、细晶粒的AIN粉末，该粉料中按1．O％ca()配人Ca(NOa)。烧结剂，成型工艺用流延法或干压法，烧成工艺采用热压烧结或常压烧结，制得完全致密的半透明A1N陶瓷材料(见图3—29)。半透明AIN瓷和其他陶瓷基片的特性对比示于表3 25。