梁井生

[摘 要]氮化铝陶瓷室温强度高（400-500MPa），在高温条件下使用，其强度随温度升高下降缓慢，而且氮化铝陶瓷高温导热性高，热膨胀系数低，抗热冲击性好，是制造陶瓷发动机非常有潜力的材料。虽然氮化铝粉末早在1896年就合成成功，但由于氮化铝粉末很难烧结，氮化铝陶瓷的研究从上世纪五十年代才开始，在有添加剂的条件下，能制得致密的氮化铝陶瓷。几十年来通过许多研究者的不懈努力，在氮化铝粉末的制备、成形、烧结等方面的研究均取得了长足进展，对氮化铝陶瓷的常温及高温性能也有研究。

[关键词]氮化铝陶瓷高强度 高导热率 研究概况

中图分类号：TQ174.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）08-0065-01

Ⅰ-1 研究AlN陶瓷的意义

AlN陶瓷室温强度高（400-500MPa），强度随温度升高下降缓慢。AlN陶瓷1300℃下的高温强度比常温强度低约20%，而热压或同温度下的高温强度比常温强度低约50%。AlN材料的高温导热性（20℃的导热系数为170W/mk）和低热膨胀系数（20-500℃：4.8×/℃；100-1000℃：5.7×/℃），保证其制品耐热冲击性好。AlN材料这些优越特性显示出它有希望在陶瓷发动机材料中争得一席之地。

I-2 AlN陶瓷研究的进展概况

AlN粉末的合成已有很长的历史，最早的合成方法可以追溯到1896年的Geuther[1]法。对AlN的正式研究可分为三个阶段。第一阶段从本世纪初开始，采用Serper法合成AlN，尔后用Harber的空气中氮气固定法制备AlN。由于AlN难以烧结，一直到本世纪五十年代均未取得令人鼓舞的进展。第二阶段从五十年代后期开始，将AlN作为一种非氧化物陶瓷材料加以研究，摸索出一系列促进AlN烧结的添加剂，取得一系列可喜的成绩。1960年Taylor和Lenie[2]在加入添加剂的情况下，采用热压烧结制成AlN陶瓷，抗折强度达265Pa。第三阶段始于近几年，人们将AlN陶瓷伯为高导热率的绝缘散热材料予以研究，并力图把它推向实用化。日本科学家致力于合成易于烧结的AlN粉末，以求材料具有高的导热率。如东芝公司的米屋腾利[3]于1986年用作原料，用碱土金属与稀土金属混合物作添加剂，在氮气氛中合成的AlN粉末，在无压烧结下，其密度均在99%以上。1985年日本电气株式会社的黑川弘[4]等人把碱土金属的卤化物（氯化物和氟化物）引入AlN粉末中，热压烧结出相对密度99%的AlN陶瓷，其导热率达140W/mk。日本TDK（株）陶瓷研究部已制成AlN系列的高导热性AlN基板。

对AlN材料高温性能的系统研究，以往的文献报道具较少。烧结的AlN陶瓷在800℃至1100℃的氧气中的氧化速率很低，在1100℃只有8%被氧化。Abid[5]等人研究了AlN粉末及GaAs板上AlN薄膜的氧化性，结论是AlN粉末在空气中可稳定到1000℃，在真空中可稳定到1400℃。当AlN粉末置于100℃的沸水中，将形成γ-AlOOH，但AlN粉末在室温下不易与潮湿空气起反应。GaAs板上的AlN薄膜在900℃和1100℃的氧气气氛中，不发生氧化反应。Sakai[6]研究了氧组分对热压AlN陶瓷抗弯强度的影响，指出：AlN粉末颗粒表面的氧化层与AlN反应生成氧氮化铝或假AlN聚晶体，会有2.7Wt%氧元素的AlN在2000℃热压可达最高抗折强度（48）。

国内对AlN材料的研究很少，近几年才有关于研究AlN方面的报道。1984年798厂设计所参照日本电气化学工业公司的高纯AlN粉末制造方法，用铝粉氮化合成了AlN粉末[7]。用这种粉末在氮气氛下热压烧结制出AlN陶瓷，其抗折强度为115.3MPa。1986年上海硅酸盐研究所的黄丽萍等人进行了AlN粉末合成的研究[8]。1988年，国家建材研究设计院着手进行AlN基板的试制工作。武汉工业大学研究生马峻峰对AlN/SiC晶须复合材料作了有意义的探索。他的实验结果表明，晶须的加入能提高AlN陶瓷的韧性（提高52.5%），但抗折强度下降（抗折强度损耗26%）。

近年来，随着纳米材料的兴起，其较强的小尺寸效应、表面效应使得晶粒的表面能增加，烧结活性增强，从而可以显著地提高烧结速度，使微观结构均匀一致，极大地改善了材料的性能。添加普通烧结助剂，仅仅降低液相产生的温度。如果添加剂采用纳米粉，因其比表面积增大，表面活性极高，除降低液相温度外还可增大烧结驱动力，进一步促进烧结。添加纳米助剂促进氮化铝陶瓷的烧结是一种新思路、新方法，同时还具有实用性。放电等离子烧（SparkPlasmaSintering，SPS）是一种新颖的具有独特技术优势的烧结技术，在促进AlN烧结致密化和降低制备成本方面具有很大的发展潜力。李淘采用纯的AlN粉在1800℃下保温15min得到致密度为97.5%的烧结体；而添加可显著促进AlN的烧结，采用100℃/min的升温速率，在1650-1700℃下保温5min均可得到接近理论密度的试样，比同样烧结条件下的纯AlN提高了10%以上。由此可见，SPS烧结和引入烧结助剂均有利于AlN粉体的烧结。微波烧结（MicrowaveSintering）是一种新型、高效的烧结技术，具有传统烧结技术无可比拟的优越性。ChengJiping采用微波烧结技术在较高烧结温度（1850℃）下制备得到AlN透明陶瓷。而卢斌等人采用微波烧结技术在较低温度（1700℃×2hr）下获得相对密度达99.7%的AlN透明陶瓷。因此，尽管不添加任何烧结助剂的微波烧结法被认为是一条获得AlN透明陶瓷非常有前途的低成本化技术途径，但是受微波烧结设备的限制，通常很难获得较低的烧结温度，因此，有必要开展微波低温烧结工艺制备AlN透明陶瓷的研究。无压烧结（Pressurelesssingtering）是实现大规模烧结最合适的技术，也是目前通用的烧结氮化铝基板材料的方法。该技术采用无压烧结设备，在烧结过程中充0.1MPa的氮气压力，在1750℃进行烧结。日本的丸和公司采用无压烧结制备了尺寸128mm×128mm×0.5mm的大尺寸氮化铝基板，广泛的应用于电动车IGBT模块的封装材料[9]。

Ⅰ-3 展望

由于AlN陶瓷具有优良的热、电、力学性能，氮化铝陶瓷引起了国内外材料研究者的广泛关注。随着现代科学技术的飞速发展，对所用材料的性能提出了更高的要求。氮化铝陶瓷也必将在许多领域得到更为广泛的应用。虽然多年来通过许多研究者的不懈努力，在粉末的制备、成形、烧结等方面的研究均取得了长足进展，但就目前而言，氮化铝的商品化程度并不高，这也是影响氮化铝陶瓷进一步发展的关键因素。为了促进氮化铝研究和应用的进一步发展，必须做好下面两个研究工作：

1、批量低成本生产出商品AlN粉末；

制约氮化铝商品化的主要因素就是价格问题，若能以较低的成本制备出氮化铝粉末，将会大大提高其商品化程度。

2、复杂AlN陶瓷部件的成型技术。

参考文献

[1]G.Long and L.M.Foster，“Aluminum Nitride，Arefractory for Alumimum to 2000℃”J.Am.Ceram.Soc.，42[2]（1959）P53-59

[2]K.M.Taylar and C.Lenie，”Some Properties of AlN”.J.Electrochem.Soc.，107[4]（1960）

[3]米屋胜利、井上宽等，“易烧结性氮化铝陶瓷粉末的制造方法”。公开特许公报（A），昭和61-155210。