高导热氮化硅陶瓷的低温制备及性能研究
发布时间：2021-04-01 07:59
高导热Si3N4陶瓷具有高的强度、硬度、优异的抗氧化性和耐腐蚀性能以及高的抗热震性能,是一种综合性能优异的结构陶瓷材料,而超高的理论热导率和极好的器件间热膨胀系数匹配性使其有望成为新一代绝缘基板材料,这也成为近年来国内外学者研究的热点。在现有高导热氮化硅制备工艺中,在选用高纯度原料粉体的基础上,Si3N4陶瓷高热导率的获得通常需要在高温高氮压环境下长时间烧结以促进晶内和晶间的纯化,这对设备要求极高的同时也带来了生产效率低生产成本高昂的缺点。为此本文提出采用LiF-Y2O3、Li2O-Y2O3两种复合助剂,在低温实现致密化的同时,促进氧和晶间液相的反应挥发移除,加速晶内晶间纯化,以达到高导热氮化硅陶瓷低温制备的目的。本文首先对复合助剂中LiF/Li2O和Y2O3的比例进行的研究,在空气环境下,通过不同埋粉配方和埋粉形式,确定了S...
【文章来源】：郑州航空工业管理学院河南省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
α-Si3N4晶体结构、β-Si3N4晶体结构[3]
1绪论3的振动，振动振幅和频率也会随温度的升高而加大，这便是热运动。由于固体材料中的质点相互关联，一个质点发生振动所产生的能力会带动其相连质点，如此依次下来便会形成一个波形位移，根据量子力学理论传热起重要作用的是声频之中的低频部分，这种弹性波被量子化时就被称为“声子”[4]。氮化硅陶瓷材料便是靠“声子”导热。在氮化硅陶瓷晶体中，声子本该是以声速传播，β-Si3N4沿C轴方向的理论热导率可达450W/(m·k)，但实验所得的氮化硅陶瓷热导率却并不如人意，最高也只有YouZhou等[5]人得到的177W/(m·k)热导率，并且是在1900℃的高温下热处理60h获得。影响声子传播的主要因素便是晶粒缺陷、晶间相以及晶粒晶界，将在1.3中详细叙述。1.3影响氮化硅热导率的因素及各因素优化方法如前所述，通过模拟计算α-Si3N4单晶本征热导率沿a轴和c轴方向分别可达105W/(m·k)和170W/(m·k)，而β-Si3N4单晶则更高分别高达225W/(m·k)和450W/(m·k)。当然这是在理想状态下模拟计算所得，实际试验所得热导率也只有其三分之一，究其原因本文总结为以下几个因素：①晶间氧和其它金属原子杂质对“声子”传热散射引起的热阻；②晶间相含量对氮化硅陶瓷热导的影响；③晶粒尺寸的影响。如图1.2图1.2影响氮化硅陶瓷热导率因素结构图[6]1.3.1晶格氧对氮化硅陶瓷导热性的影响及优化晶格氧是高纯氮化硅陶瓷主要晶内缺陷，也是影响氮化硅导热率的主要因素
1绪论6结可提高陶瓷致密度和强度，但该法成本较高且精度得不到控制。ThanaKorn等[16]采用β-Si3N4作为原料，MgO和Al2O3为烧结助剂，在0.1MPa氮气压，1650℃下烧结2h后，再用1.0MPa氧气压，1950℃烧结8h得到导热率为90W/(m·k)的氮化硅陶瓷。（3）气压烧结法：成型工艺完全同于常压烧结，也是分两个烧结步骤，但两个步骤都是在较高氮气压下进行，因为Si3N4陶瓷单一暴露在高温空气中容易分解成Si(l)和N2(g)即g2li3si）（）（）（2431NSNS（1-3）g2gi3si）（）（）（2431NSNS（1-4）这里(s)、(1)、(g)分别表示固体、液体和气体。Greskovich等人[17]计算了Si3N4(s)、Si(1)、N2(g)和Si(g)在反应过程中的热力学平衡。得出图1.3图1.3Si3N4稳定图，其中Si蒸汽与Si3N4处于平衡状态，Si3N4是N2压力和温度的函数[14]从图中可以知道以下事实：（1）随着氮气压力的增加，反应（1-3）中Si3N4（s）的分解温度升高。这种关系由图中斜率为正的直线表示。（2）反应（1-4）中的Psi(g)（Si气体的分压）随着温度的升高而升高，随着氮气压力的升高而降低。这一关系用图中带负斜率的直线表示。同时Si3N4在空气烧结过程中也会同空气中的O2发生氧化反应。在800℃左右时开始氧化，其化学反应方程式为g2li3g3si）（）（）（）（2224NOSONS（1-5）该反应描述了在没添加烧结助剂情况反应烧结和热压烧结的低温阶段氧化。所以Si3N4陶瓷在烧制时通常采用通入氮气的方式烧结，以达到抑制其发生分
【参考文献】：
期刊论文
[1]高热导率氮化硅散热基板材料的研究进展[J]. 刘雄章,郭冉,李青达,衣雪梅. 陶瓷学报. 2018(01)
[2]Li2O为烧结助剂的Si3N4陶瓷低温烧结过程研究[J]. 樊磊,周萌,陈猛,卢学峰,王超,王红洁. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[3]氮化硅陶瓷的制备及性能研究进展[J]. 王会阳,李承宇,刘德志. 江苏陶瓷. 2011(06)
[4]氮化硅陶瓷的制备及进展[J]. 祝昌华,蒋俊,高玲,杨海涛. 山东陶瓷. 2001(03)
本文编号：3112975
【文章来源】：郑州航空工业管理学院河南省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
α-Si3N4晶体结构、β-Si3N4晶体结构[3]
1绪论3的振动，振动振幅和频率也会随温度的升高而加大，这便是热运动。由于固体材料中的质点相互关联，一个质点发生振动所产生的能力会带动其相连质点，如此依次下来便会形成一个波形位移，根据量子力学理论传热起重要作用的是声频之中的低频部分，这种弹性波被量子化时就被称为“声子”[4]。氮化硅陶瓷材料便是靠“声子”导热。在氮化硅陶瓷晶体中，声子本该是以声速传播，β-Si3N4沿C轴方向的理论热导率可达450W/(m·k)，但实验所得的氮化硅陶瓷热导率却并不如人意，最高也只有YouZhou等[5]人得到的177W/(m·k)热导率，并且是在1900℃的高温下热处理60h获得。影响声子传播的主要因素便是晶粒缺陷、晶间相以及晶粒晶界，将在1.3中详细叙述。1.3影响氮化硅热导率的因素及各因素优化方法如前所述，通过模拟计算α-Si3N4单晶本征热导率沿a轴和c轴方向分别可达105W/(m·k)和170W/(m·k)，而β-Si3N4单晶则更高分别高达225W/(m·k)和450W/(m·k)。当然这是在理想状态下模拟计算所得，实际试验所得热导率也只有其三分之一，究其原因本文总结为以下几个因素：①晶间氧和其它金属原子杂质对“声子”传热散射引起的热阻；②晶间相含量对氮化硅陶瓷热导的影响；③晶粒尺寸的影响。如图1.2图1.2影响氮化硅陶瓷热导率因素结构图[6]1.3.1晶格氧对氮化硅陶瓷导热性的影响及优化晶格氧是高纯氮化硅陶瓷主要晶内缺陷，也是影响氮化硅导热率的主要因素
1绪论6结可提高陶瓷致密度和强度，但该法成本较高且精度得不到控制。ThanaKorn等[16]采用β-Si3N4作为原料，MgO和Al2O3为烧结助剂，在0.1MPa氮气压，1650℃下烧结2h后，再用1.0MPa氧气压，1950℃烧结8h得到导热率为90W/(m·k)的氮化硅陶瓷。（3）气压烧结法：成型工艺完全同于常压烧结，也是分两个烧结步骤，但两个步骤都是在较高氮气压下进行，因为Si3N4陶瓷单一暴露在高温空气中容易分解成Si(l)和N2(g)即g2li3si）（）（）（2431NSNS（1-3）g2gi3si）（）（）（2431NSNS（1-4）这里(s)、(1)、(g)分别表示固体、液体和气体。Greskovich等人[17]计算了Si3N4(s)、Si(1)、N2(g)和Si(g)在反应过程中的热力学平衡。得出图1.3图1.3Si3N4稳定图，其中Si蒸汽与Si3N4处于平衡状态，Si3N4是N2压力和温度的函数[14]从图中可以知道以下事实：（1）随着氮气压力的增加，反应（1-3）中Si3N4（s）的分解温度升高。这种关系由图中斜率为正的直线表示。（2）反应（1-4）中的Psi(g)（Si气体的分压）随着温度的升高而升高，随着氮气压力的升高而降低。这一关系用图中带负斜率的直线表示。同时Si3N4在空气烧结过程中也会同空气中的O2发生氧化反应。在800℃左右时开始氧化，其化学反应方程式为g2li3g3si）（）（）（）（2224NOSONS（1-5）该反应描述了在没添加烧结助剂情况反应烧结和热压烧结的低温阶段氧化。所以Si3N4陶瓷在烧制时通常采用通入氮气的方式烧结，以达到抑制其发生分
【参考文献】：
期刊论文
[1]高热导率氮化硅散热基板材料的研究进展[J]. 刘雄章,郭冉,李青达,衣雪梅. 陶瓷学报. 2018(01)
[2]Li2O为烧结助剂的Si3N4陶瓷低温烧结过程研究[J]. 樊磊,周萌,陈猛,卢学峰,王超,王红洁. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[3]氮化硅陶瓷的制备及性能研究进展[J]. 王会阳,李承宇,刘德志. 江苏陶瓷. 2011(06)
[4]氮化硅陶瓷的制备及进展[J]. 祝昌华,蒋俊,高玲,杨海涛. 山东陶瓷. 2001(03)
本文编号：3112975
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