热压烧结AlN-SiC复相陶瓷的致密化.pdf

笫6 2 卷第3 期 2010 年8 月 有色金属 N o n f e m I u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．3 A u g ．2010 热压烧结A 1 N S i C 复相陶瓷的致密化 程卫华L 2 ，李晓云1 ，丘泰1 ，贾杪蕾1 ，张晓伟1 1 ．南京工业大学材料科学与工程学院，南京2 10 0 0 9 ； 2 ．盐城纺织职业技术学院化学工程系，江苏盐城2 2 4 0 0 5 摘要研究热压烧结A 1 N S i C 复相陶瓷的致密化行为，探讨S i C 含量及热压温度、保温时间等工艺参数对复相陶瓷致密 化的影响。结果表明，当S i C 含量不超过7 0 ％时，在1 9 0 0 。C ，保温1h ，压力为3 0 M P a ．氮气气氛下可以制备出致密的A 1 N S i C 复相 陶瓷，相对密度达到r9 9 ％以上。 关键词复合材柯；A IN S i C 复相陶瓷；热压烧结；烧结性能 中图分类号T Q l 7 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 0 2 6 0 4 氮化铝具有独特的物理性质和电子学特性，被 认为是制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜 力的宽带隙半导体材料，它可与多种基质材料相复 合，制成具有优异的电、热、力学性能的先进复合材 料，在微电子技术领域中有着广阔的应用前景qo 。 碳化硅作为微波衰减剂已进行了较多的研究，～般 认为碳化硅不仅吸波性能好，而且具有耐高温、高强 度、使用过程中性能稳定等优点∞J 。因此，采用复 相材料设计原则，结合S i C 与A 1 N 材料特性，研究 A 1N ．S i C 复相陶瓷体系的工艺、结构和性能之问的 关系，对于开拓A 1 N S i C 系统新型电子陶瓷具有重 要的理论和实际意义。 有关A 1N S i C 系统复相陶瓷的力学、高温力 学、耐高温抗氧化力学性能、热学性能，微波衰减性 能国内外已进行了较多的研究”。。，而对其致密化 性能的研究公开报道的很少。为此，以A 1 N 和S i C 粉末为原料，经球磨混合，采用热压烧结工艺，研究 S i C 含量、添加剂含量、烧结工艺对A 1 N ．S i C 复相陶 瓷体系烧结性能的影响。 1实验方法 1 ．1 试样制备 采用的原料为平均颗粒尺寸小于0 ．5 I x m 的 收稿日期2 0 0 8 0 5 2 9 基金项目国防科工委基金资助项月 0 4 K J B 4 3 0 0 4 0 作者简介程卫华 1 9 c 一、，男，江苏东台县人，硕上，主要从事微 波衰减材料等厅面的研究。 联系人李晓云 1 9 6 2 一 ，女，江苏金坛县人，教授，主要从事功能 材料等方面的研究。 A I N 粉末，纯度9 9 ．9 5 ％的氧化钇 Y 0 ， ，锐钛矿型 二氧化钛 T i O ，平均粒径0 ．5 ～0 ．7 斗m 的碳化硅 S i C ，分析纯乙醇 C H ，C H O H 。采用A 1 N 粉末 和S i C 为原料，Y O ，和T i O 为复合烧结助剂，以氧 化锆球作研磨球，无水乙醇作研磨介质，在高能行星 磨上球磨4 h ，然后将料烘干，装入石墨模具中，置于 热压炉中，在氮气 纯度≥9 9 ％ 气氛、3 0 M P a 压力、 1 9 0 0 c c 、保温1 h 工艺条件下制备A 1 N S i C 复相陶瓷。 1 ．2 试样性能测试 利用A R Lx T R A 型x 射线衍射仪对试样进行 相分析。运用A r c h i m e d e 法测得试样密度，并根据 理论密度计算试样相对密度。利用J S M 0 5 9 0 0 扫描 电子显微镜 S E M 观察试样断面的显微结构。 2试验结果与讨论 显气孔率、相对密度是表征材料烧结性能的重 要参数，它们在反映材料致密性的同时，也反映了在 真空条件下的气密性。显气孔率越小或者相对密度 越大，材料致密性越好，真空条件下气密性越好。 2 ．1 相组成分析 研究表明，材料的物相组成对材料的性能有着 至关重要的影响1 。因此，对A 1 N S i C 复相陶瓷的 相组成分析是探讨影响该复相陶瓷烧结性能的关键 因素之一。图l 为不同S i C 含量的复相陶瓷的x 射 线衍射图。从图1 可以看出，复相陶瓷中新生成了 两相Y ，A I ，0 。和T i C 。Y ，A l ，O ，足烧结助剂Y 2 0 ，在 高温下与A I N 中的A 1 O ，反应所生成，另外由于试 样是在涂有B N 的石墨模具中烧结，因而会渗碳进 入试样，从而与试样中的T i 结合生成T i C 。因而， 万方数据 第3 期 程卫华等热压烧结A I N ．S i C 复栩陶瓷的致密化 2 7 A I N ．S i C 复相陶瓷由四相组成，主晶相为A 1 N 和 S i C ，次晶相为Y ，A I ；O ．和T i C 。 2 ．2 烧结温度对A I N - S i C 复相陶瓷烧结性能的影响 选取了1 8 0 0 ，1 8 5 0 ，1 9 0 0 和1 9 5 0 0 C 四个烧结温 度点来分析烧结温度对复相陶瓷烧结性能的影响。 图2 给出了烧结温度对A 1 N ．2 0 w t ％S i C 复相陶瓷的 显气孔率和相对密度的关系。 从图2 可以看出，随着烧结温度的升高，复相陶 瓷的显气孔率逐渐降低，相对密度逐渐增大。这说 明，A 1 N S i C 复相陶瓷随着温度的升高，致密性增 强，烧结性能变好，烧结温度对A 1 N ．S i C 复相陶瓷的 致密化性能有着重要的影响。当温度达到1 9 0 0 ℃ 复相陶瓷达到了很好的烧结性能，温度再升高材料 的烧结性能不再有明显的变化。这说明，一定的烧 结温度对A I N ．S i C 复相陶瓷的烧结是必须的，但是 当烧结温度超过1 9 0 0 ℃后，提高烧结温度不在对烧 结性能产生明显的影响。因此，研究中烧结温度为 1 9 0 0 ℃。 。、“～。b | l M 儿山J ．J | | | ．4 。k ． 。～hL 。．山儿～b 几 ．kk 。。 l r 1 矿习广丽丽1 矿_ } 矿刁 1 2 0 ％S i C ；2 4 0 ％S i C ； 一6 0 ％S i C 图1不同S i C 含量复相陶 瓷的X 射线衍射图 F i g ．1 X R Dp a t t e r n so fc o m p o s i t e sw i t h d i f f e r e n tc o n t e n t so fS i C 2 ．3 保温时间对A I N - S i C 复相陶瓷烧结性能的影响 在1 9 0 0 0 C 的烧结温度下，选取了0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 和2 ．O h 四个保温时间点来分析保温时间对复相陶 瓷烧结性能的影响。表3 给出了保温时间对A 1 N - 2 0 ％S i C 复相陶瓷的显气孔率和相对密度的关系。 从图3 可以看出，随着保温时间的增加，复相陶 瓷的显气孔率逐渐降低，相对密度逐渐增大，当保温 时间达到1 h 复相陶瓷达到了很好的烧结性能，时间 再增加材料的烧结性能不再有明显的变化。这说 明，一定的保温时间对A I N - S i C 复相陶瓷的烧结是 必须的，但是当保温时间超过1 h 后，增加保温时间 冰 、 赵 梅 霞 正 酲 督 高 扩 蝌 图2 温度对A I N ．2 0 ％S i C 复相陶瓷的 显气孔率和相对密度的关系 F i g ．2 C u r v eo fr e l a t i v ed e n s i t ya n do p e np o r o s i t yo f A I N 2 0 ％S i Cc o m p o s i t ew i t ht e m p e r a t u r e 不在对烧结性能产生明显的影响。因此，研究中保 温时间为1h 。 枣 、 趟 镩 霞 霉 毋 、 爵 F 捌 图3时间对A I N - 2 0 ％S i C 复相陶瓷的 显气孔率和相对密度的关系 F i g ．3 C u r v eo fr e l a t i v ed e n s i t ya n do p e np o r o s i t y o fA I N 2 0 ％S i Cc o m p o s i t ew i t ht i m e 2 ．4S i C 含量对A I N - S i C 复相陶瓷烧结性能的影响 在1 9 0 0 ℃烧结温度和l h 保温时间的工艺条件 下，选取0 ，2 0 ％，4 0 ％，6 0 ％，6 5 ％，7 0 ％，7 5 ％，8 0 ％ 八个不同S i C 含量点来分析S i C 含量对复相陶瓷性 能的影响。图4 给出了不同S i C 含量对A I N ．S i C 复 相陶瓷的显气孔率和相对密度的关系。 从图4 可以看出，当S i C 的含量在0 ～7 0 ％之间 时，复相陶瓷的显气孔率不超过0 ．1 ％，最低达到了 0 ．0 6 ％，相对密度也在9 9 ．0 ％以上，最高达到了 9 9 ．3 ％。当S i C 的含量超过7 0 ％时，复相陶瓷的显 气孔率急剧上升，相对密度急剧下降，在S i C 含量 万方数据 2 8 有色金属第6 2 卷 蓬 越 稍 霞 罂 承 、 旃 妒 硝 图4S i C 含量对A I N S i C 复相陶瓷的 显气孔率和相对密度的关系 F i g ．4 C u r v eo fr e l a t i v ed e n s i t ya n do p e np o r o s i t yo f A 1 N - S i Cc o m p o s i t ew i t hc o n t e n t so fS i C 术 、 越 期 智 罂 8 0 ％时，显气孔率达到了1 3 ．8 6 ％，相对密度则降到 了8 4 ．9 ％。这说明，一定量S i C 的加入不影响A I N S i C 复相陶瓷的烧结，复相陶瓷都可以达到很高的 致密性。当S i C 的含量达到了7 0 ％以上，S i C 的加 入将会阻碍复相陶瓷的烧结，且随着S i C 含量的增 加，这种阻碍作用将会越来越大。 图5 为不同S i C 含量的复相陶瓷断面的S E I 图。从图5 可以看出，当S i C 含量不超过7 0 ％时， A 1 N 和S i C 之间的润湿性能很好，即A 1 N 和S i C 之 间的相容性很好，晶粒与晶粒之间结合很紧密，只有 少量的气孔存在。当S i C 含量超过7 0 ％时，晶粒的 结合不够紧密，存在较多的气孔，且随着S i C 含量的 增加气孔越来越多，与图4 所得结果相一致。 a 一O ％S i C ； b 一7 0 ％S i C ； c 一7 5 ％S i C ； d 一8 0 ％S i C 图5不同S i C 含量的复相陶瓷的S E I 像 F i g ．5 S E lo fc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fS i C w T i Q ，％ 图6S i C 含量对A I N - 8 0 ％S i C 复相陶瓷的 显气孔率和相对密度的关系 F i g ．6 C u r v eo fr e l a t i v ed e n s i t ya n do p e np o r o s i t yo f A 1 N 一8 0 ％S i Cc o m p o s i t ew i t hc o n t e n t so fT i 0 2 2 ．5 对S i C 高含量下复相陶瓷的改性分析 从以上分析可知，当S i C 的含量超过7 0 ％时， 复相陶瓷的显气孔率急剧上升，相对密度急剧下降， 在S i C 含量8 0 ％时，显气孔率竟达到了1 3 ．8 6 ％。 因此，对S i C 高含量下的复相陶瓷进行改性，以A 1 N 一 8 0 ％S i C 复相陶瓷为基础，研究了添加剂T i O 对复 相陶瓷性能的影响。 选取4 ％，6 ％，8 ％，1 0 ％四个不同T i O 含量点 来分析T i O 含量对A I N - 8 0 ％S i C 复相陶瓷性能的 影响。图6 给出了不同T i O 含量对A I N ．8 0 w t ％S i C 复相陶瓷的显气孔率和相对密度的关系。 从图6 可以看出，当T i O 含量不超过8 ％，随着 T i O 含量的增加，A I N 一8 0 ％S i C 复相陶瓷的显气孔 率逐渐降低，最低达到4 ．5 7 ％，相对密度则逐渐增 加，最高达到了9 4 ．1 ％。进一步增加T i O 的含量， 显气孔率则逐渐的增加，相对密度逐渐的下降。这 说明，随着T i O 含量的增加，复相陶瓷的烧结性能 先变好，后变差，在T i O 含量达到8 ％时烧结性能达 到最佳。 万方数据 第3 期程卫华等热压烧结A 1 N ．S i C 复相陶瓷的致密化 2 9 3结论 A 1 N S i C 复相陶瓷在烧结的过程中新生成了两 相Y ，A 1 ，O 。和T i C ，复相陶瓷由四相组成，主晶相为 A I N 和S i C ，次晶相为Y ，A 1 5 0 ，2 和T i C 。在1 9 0 0 。 、 保温l h 的工艺条件下，当S i C 含量在0 7 0 ％之间 参考文献 时，复相陶瓷都可以达到很高的致密性，相对密度达 到了9 9 ％以上。当S i C 的含量超过7 0 ％时，S i C 的 加入将会阻碍复相陶瓷的烧结，且随着S i C 含量的 增加，这种阻碍作用将会越来越大。添加剂T i O 含 量对A I N - 8 0 ％S i C 复相陶瓷的烧结性能会产生明显 的影响，T i O 含量8 ％时烧结性能最佳。 [ 1 ] T u m m a l aRR ．C e r a m i ca n dg l a s s c e r a m i cp a c k a g i n gi nt h e1 9 0 0 s [ J ] ．JA mC e r a mS o c ，1 9 9 1 ，7 4 5 8 9 5 8 9 7 ． [ 2 ] W a t a r iK ，I s h i a k iK ，T s u c h i y aF ．P h o n o ns c a t t e r i n ga n dt h e r m a lc o n d u c t i o nm e c h a n - i s m so fs i n t e r e da l u m i n u mn i t r i d ec e r a m i c s [ J ] ．JM a t e rS c i ，1 9 9 3 ，2 8 9 3 7 0 9 3 7 1 0 ． [ 3 ] 李恒德，肖纪美．材料表面与界面[ M ] ．北京清华大学出版社，1 9 9 0 1 0 5 ． [ 4 ] J o w L a yH u a n g ，J y h - M i n gJ i b ．I n v e s t i g a t i o no fS i C A I N P a r tI I ，M e c h a n i c a lP r o p e r t i e s [ J ] ．J o u r n a lo ft h eA m e r i c a nC e r a m i c S o c i e t y ，1 9 9 6 ，7 9 5 1 2 6 2 1 2 “． [ 5 ] Y o u n g W o o kK i m ，M a m o r uM i t o m o ，T o s h i y u k iN i s h i m u r H i g h T e m p e r a t u r es t r e n g t ho fl i q u i d p h a s e s i n t e r e dS i Cw i t hA 1 Na n d R e 2 0 3 R E Y ，Y b [ J ] ．J o u r n a lo ft h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y ，2 0 0 2 ，8 5 4 1 0 0 7 1 0 0 9 ． [ 6 ] D i l e t t aS c i t i ，S t e f a n oG u i e e i a r d i ，C e s a r eM e l a n d r i ，e ta 1 ．H i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t a n tc o m p o s i t e si nt h eA 1 N - S i C ．M o S i 2S y s t e m [ J ] ． J o u r n a lo ft h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y ，2 0 0 3 ，8 6 1 0 1 7 2 0 1 7 2 6 ． [ 7 ] L a r r yDB e n t s e n ，H a s e l m a nDPH ，R o b e r tR u h ．E f f e c to fh o t p r e s s i n gt e m p e r a t u r eo nt h et h e r m a ld i f f u s i v i t y ／c o n d u c t i v i t yo fS i C ／ A 1 Nc o m p ．o s i t e s [ J ] ．J o u r n a lo f t h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y ，1 9 8 3 ，6 6 3 C 4 0 一C 4 1 ． [ 8 ] 步文博．氮化铝基复相材料的制备及其微波衰减性能的研究[ D ] ．南京南京工业大学，2 0 0 2 1 5 4 1 5 5 ． D e n s i f i c a t i o no fA1Na n dS i CC o m p o s i t eC e r a m i c sb yH o tP r e s s e dS i n t e r i n g C H E N GW e i h u a l 一，L IX i a o y u n l ，Q I UT a i l ，肌M i a o l e i l ，Z H A N GX i a o ．w e i l 1 ．C o l l e g eo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，Y a n c h e n gC o l 如g eo fT e x t i l eT e c h n o l o g y ，Y a n c h e n g2 2 4 0 0 5 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a c t T h es i n t e r i n gd e n s i f i c a t i o nb e h a v i o ro fA 1N S i Cc o m p o s i t ec e r a m i c sp r e p a r e db yh o tp r e s s e ds i n t e r i n gp r o c e s s i si n v e s t i g a t e d ．T h ei n f l u e n c e so ft h eS i Cc o n t e n ta n dt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m eo nt h ec o m p o s i t e d e n s i t ya r ed i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec o n t e n to fS i Ci sl e s st h a n7 0 ％，t h ed e n s i f i e dA 1 N S i C c o m p o s i t em a t e r i a lc anb ep r e p a r e da t1 9 0 0 。Cf o r1hu n d e rt h ep r e s s u r eo f3 0 M P ai nn i t r o g e na t m o s p h e r e ，t h em o r e t h a n9 9 ％r e l a t i v ed e n s i t ycanb ea c h i e v e d ． K e y w o r d s c o m p o s i t em a t e r i a l ；A1N S i Cc o m p o s i t ec e r a m i c ；h o tp r e s s e ds i n t e r i n g ；s i n t e r i n gp e r f o r m a n c e 万方数据