氮化铝陶瓷是一种综合性能优良的新型陶瓷材料,具有优良的热传导性、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性,被认为是新一代高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料,受到了国内外研究者的较广重视。理论上,氮化铝的热导率接近于氧化铍的热导率,但由于氧化铍有剧毒,在工业生产中逐渐被停止使用。与其它几种陶瓷材料相比较,氮化铝陶瓷综合性能优良,非常适用于半导体基片和结构封装材料,在电子工业中的应用潜力非常巨大。另外,氮化铝还耐高温,耐腐蚀,不为多种熔融金属和融盐所浸润,因此,可用作高级耐火材料和坩埚材料,也可用作防腐蚀涂层,如腐蚀性物质的容器和处理器的里衬等。氮化铝粉末还可作为添加剂加入各种金属或非金属中来改善这些材料的性能。高纯度的氮化铝陶瓷呈透明状,可用作电子光学器件。氮化铝还具有优良的耐磨耗性能,可用作研磨材料和耐磨损零件。氮化铝陶瓷基板作为一种新型陶瓷基板。台州纳米氮化铝粉体
提高氮化铝陶瓷热导率的途径:选择合适的烧结工艺,致密度对氮化铝陶瓷的热导率有重要影响,致密度较低的氮化铝陶瓷很难有较高的热导率,因此必须选择合适的烧结工艺实现氮化铝陶瓷的致密化。常压烧结:常压烧结的烧结温度通常为1600℃至2000℃,当添加了Y2O3烧结助剂后,氮化铝粉会产生液相烧结,烧结温度一般在1700℃至1900℃,特别是1800℃很常用,保温时间为2h。烧结温度还要受到氮化铝粉粒度、添加剂含量及种类等的影响。热压温度相对能低一些,一般是在1500℃至1700℃,保温时间为0.5h,施加的压力为20MPa左右。在1500℃至1800℃范围内,提高氮化铝烧结温度通常会明显提高氮化铝烧结体的导热率和致密度,特别是在常压烧结时,这种影响更为明显。台州纳米氮化铝粉体制约氮化铝商品化的主要因素就是价格问题。
氮化铝的应用:应用于发光材料,氮化铝(AlN)的直接带隙禁带很大宽度为6.2eV,相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料,应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外,AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体,其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调,使其成为重要的高性能发光材料。可以说,从性能的角度讲,氮化铝与氮化硅是目前很适合用作电子封装基片的材料,但他们也有个共同的问题就是价格过高。
生产方法:将氨和铝直接进行氮化反应,经粉碎、分级制得氮化铝粉末。或者将氧化铝和炭充分混合,在电炉中于1700℃还原制得氮化铝。将高纯度铝粉脱脂(用抽提或在氮气流中加热到150℃)后,放到镍盘中,将盘放在石英或瓷制反应管内,在提纯的氮气流中慢慢地进行加热。氮化反应在820℃左右时发出白光迅速地进行。此时,必须大量通氮以防止反应管内出现减压。这个激烈的反应完毕后,在氮气流中冷却。由于产物内包有金属铝,可将其粉碎,并在氮气流中于1100~1200℃温度下再加热1~2h,即得到灰白色氮化铝。另外,将铝在1200~1400℃下蒸发气化,使其与氮气反应即得到氮化铝的须状物(金属晶须)。此外,也有将AlCl3·NH3加成物进行热分解的制法。直接氮化法:将氮和铝直接进行氮化反应,经粉碎、分级制得。氮化铝产品质量受反应炉温、原料的预混合以及循环氮化铝粉末所占的混合比例、氮化铝比表面积等条件的影响。因此需严格控制工艺过程,得到稳定特性的氮化铝粉末(如比表面积、一次粒径、凝聚粒径、松密度和表面特性等)。大多数氮化铝膜为多晶,但已在蓝宝石基材上成功地外延生长制成单晶氮化铝膜。
提高氮化铝陶瓷热导率的途径:提高氮化铝粉末的纯度,理想的氮化铝粉料应含适量的氧。除氧以外,其他杂质元素如Si、Mn和Fe等,也能进入氮化铝晶格,造成缺陷,降低氮化铝的热导率。杂质进入晶格后,使晶格发生局部畸变,由此产生应力作用,引起位错、层错等缺陷,增大声子散射,故应该提高氮化铝的粉末的纯度。改进氮化铝粉末合成方法,制备出粒径在1μm以下,含氧量1%的高纯粉末,是制备高导热氮化铝陶瓷的前提。此外,对含烧结助剂的氮化铝粉末,引入适量的碳,在制备氮化铝陶瓷的烧结过程中,于致密化之前,先对氮化铝粉末表面的氧化物进行还原碳化,也能使氮化铝陶瓷的热导率提高。氮化铝粉体的制备工艺主要有直接氮化法和碳热还原法。台州纳米氮化铝粉体
氮化铝粉体的制备工艺还有自蔓延合成法、原位自反应合成法、等离子化学合成法及化学气相沉淀法等。台州纳米氮化铝粉体
氮化铝的应用:应用于陶瓷及耐火材料,氮化铝可应用于结构陶瓷的烧结,制备出来的氮化铝陶瓷,不但机械性能好,抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷,硬度高,还耐高温耐腐蚀。利用AlN陶瓷耐热耐侵蚀性,可用于制作坩埚、Al蒸发皿等高温耐蚀部件。此外,纯净的AlN陶瓷为无色透明晶体,具有优异的光学性能,可以用作透明陶瓷制造电子光学器件装备的高温红外窗口和整流罩的耐热涂层。复合材料,环氧树脂/AlN复合材料作为封装材料,需要良好的导热散热能力,且这种要求愈发严苛。环氧树脂作为一种有着很好的化学性能和力学稳定性的高分子材料,它固化方便,收缩率低,但导热能力不高。通过将导热能力优异的AlN纳米颗粒添加到环氧树脂中,可有效提高材料的热导率和强度。台州纳米氮化铝粉体
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