纳米氮化硅粉体的制备及其显微形貌分析

发布时间：2020-08-08 08:49

【摘要】：能源和环境问题现在已经成为全球面临的两大严峻问题,而电动机车具有效率高、噪音低、污染小、操作方便等优点越来越得到人们的重视。在农业上,复杂的应用环境和恶劣的工作条件对农用电动机车中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率模块提出了大功率、高电压、高电流要求,然而大功率及高温差可能导致IGBT芯片烧坏或产生热震开裂,无法继续服役。因此,要求农用电动机车上IGBT功率模块散热基板材料必须同时具备高热导率、良好的机械强度及优异的抗热震性能。氮化硅(Si_3N_4)陶瓷具有高硬度、高强度、优异的耐热冲击性、良好的抗腐蚀性等,一直作为一种结构陶瓷被广泛研究及应用。近年研究发现,氮化硅(Si_3N_4)陶瓷具有与芯片匹配的热膨胀系数(CTE)和高理论热导率,开始作为电子功能陶瓷被广泛关注,被认为是目前最有潜力的大功率电子散热材料。但现有方法制备的氮化硅,其热导率仍远远达不到理论热导率水平,主要是因为氮化硅原料粉体在相组成和形貌上都还不能满足获得高热导率氮化硅陶瓷的要求。研究表明,纳米级、高α相含量氮化硅原料粉体有利于获得高致密度、高热导率氮化硅陶瓷烧结体,因此,寻找制备纳米级、高α相含量氮化硅的方法具有重要的理论意义和实际意义。本论文主要研究了氮化硅粉体的制备方法、试验条件对产物相组成及显微形貌的影响,并分析了产物不同显微形貌的生长机理,最后制备出了纳米级、高α相含量的氮化硅粉体,分为三部分:1)以Si粉为原料、Si_3N_4为稀释剂,采用Si粉直接氮化法制备Si_3N_4,研究加热温度、加热时间、原料/稀释剂质量比对产物中相含量和显微形貌的影响。试验结果表明,随温度升高,产物中α-Si_3N_4、β-Si_3N_4含量同时增加,但温度高于1450℃,由于发生α→β转变,产物中α-Si_3N_4含量降低;同理,随加热时间的增加,产物中α-Si_3N_4含量也随之减少;稀释剂的加入有利于产物中α-Si_3N_4的生成。在形貌上产物分为上下两层,上层为纤维状,下层为块状,随温度、时间增加,Si_3N_4纤维直径增大,稀释剂含量对产物下层的形貌影响不显著。2)在原料Si和稀释剂Si_3N_4中加入NaCl添加剂,利用熔融盐氮化法制备Si_3N_4,研究加热温度、熔融盐NaCl含量对产物中相含量和显微形貌的影响,并分析产物不同形貌的生长机制。试验结果表明,在1250℃-1450℃时,随温度增加,产物中α-Si_3N_4含量有增加的趋势,但温度过高α-Si_3N_4含量会降低;随着NaCl含量的增加,产物中α-Si_3N_4的含量逐渐减少。在形貌上,上层产物包括Si_3N_4纳米带和纳米线,且随着温度升高及NaCl含量增加,Si_3N_4纳米带和纳米线的径向尺寸逐渐变大;下层产物包括块状和短针状的Si_3N_4,随着加热温度的升高,短针状形貌增多,而随NaCl含量的增多,短针状产物减少,产物越致密。分析认为,不同的原料聚集状态最后形成不同形貌的产物,即产物的形貌与原料的聚集状态有关。3)在原料Si粉中添加NaCl和NH_4Cl添加剂,用NH_4Cl辅助氮化法制备Si_3N_4。研究加热温度、NaCl含量、NH_4Cl含量对产物中相含量和形貌的影响,并分析影响机理,同时研究产物中各种形貌的生长机制。试验结果表明,随温度、NaCl含量、NH_4Cl含量的增加,产物中α-Si_3N_4的含量均出现先增加后减少的趋势。当温度为1450℃,NaCl为30 wt%,NH_4Cl为3 wt%时,产物中α-Si_3N_4的含量最大达到了96 wt%。产物分为上下两层:上层产物中包括Si_3N_4纳米线,纳米分叉纤维,且随着盐含量的增加,出现混乱的现象;下层产物中包括短针状、堆叠块状Si_3N_4;随着NaCl的增多,短针状Si_3N_4逐渐增多。硅粉氮化分为三个阶段,NaCl和NH_4Cl促进了Si粉的汽化,引起陶瓷舟和刚玉管Al_2O_3成分的分解,导致反应气氛中含有微量的O和Al元素,促进形成不同形貌的产物,且上层纤维产物的生长机制有VS、VLS和双生长机制:底部VLS机制和顶部VS机制等。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.75;S22
【图文】：

截面图,层结构,截面图,模块

高、噪音低、污染小、操作方便等优点, 是解决由农业机械所造成的能源和环境问题的有效途径之一(高辉松和朱思洪 2009; 李仁强 2016)。如杨福增等(2012)研制了一款温室遥控电动机车，该电动机车以铅蓄电池为动力源，直流串励电动机为动力机，具有良好的经济效益。陈震邦和周莹(2005)设计了一种适用于农村短途散货运输的电动机车，它具有生产和使用成本低、节能、安全和机动性好的特点，对环境保护具有良好的效果。我国地域辽阔且地形复杂，尤其是西南地区大部分是山地和丘陵，地面高度差较大 (王飙 2014)，这对电动机车中的 IGBT（绝缘栅双极晶体管）功率模块提出了大功率、高电压、高电流的要求(王瑞 2013)。大功率 IGBT 电子模块不仅应用于电动机车，也被广泛的应用在工业机器人，混合动力汽车以及新能源电动车中，主要实现直流电与交流电之间的转换(Douarre, A 2013;Song, T et al. 2013)。其自上而下的层结构截面如图 1-1 所示，由图可知层结构包含两个DBC 铜层、两个焊料层、陶瓷层、芯片层、键合线和铜底板。其中上铜层起导通电流作用，下铜层保证 DBC 基片平整光滑，焊料层是为了粘合、固定相邻的层，陶瓷层有较好的散热效果，最底部的铜底板坚硬、平滑，能加强模块封装后的散热作用，也使得基板便于安装在散热器上(张朋等 2014)。

产物,XRD分析,粉未,残余

Fig. 2-2 Image of the Si nitridation product. The products are divided into two layers: the upper is athin layer of fibrous product and the lower is a fluffy blocky product.试验结果分别如图2-1 2-3所示，2-1表示产物中α-Si3N4含量随温度的变化情况，如图所示，低温时产物中存在大量的残余Si粉，此时Si粉未完全氮化，随温度升高，产物中α-Si3N4、β-Si3N4的量也增加，但是当温度过高达到1500 ℃时，则发现α-Si3N4的含量降低

分析图,产物,纤维状,块状

究设置加热时间为4 h，Si粉和β-Si3N4质量比为5:1，N2流量为0.1 L/m00 ℃、1400 ℃、1450 ℃、1500 ℃，研究加热温度对产物中相含量和图 2-1 不同温度时加热 4 h 产物的 XRD 分析图1 XRD patterns of the product synthesized from different temperature after heating f

【参考文献】