AlN-BN复相陶瓷的SPS制备、显微结构与性能调整.pdf

武汉理工大学 博士学位论文 AlN/BN复相陶瓷的SPS制备、显微结构与性能调整 姓名：李美娟 申请学位级别：博士 专业：材料加工工程 指导教师：张联盟;沈强 武汉理工大学博士学位论文 摘要 高导热、可加工AIN／BN复相陶瓷是一种极具应用前景的新型复合材料，可 作为微电子领域、微波传输设备以及高温腐蚀环境中应用的理想材料。然而，AIN、 BN同属共价键化合物，熔点高、自扩散系数小；在A卜B—N系统中，AIN和BN 具有不同的晶体结构和价电子结构，在平衡条件下不能形成固溶体；同时，在烧 结过程中，h-BN片状晶体的生长会形成卡片房式结构，阻碍材料的烧结收缩和致 密。这些因素使AIN／BN陶瓷的完全致密化成为一个技术难题，并影响材料性能 的发挥。 放电等离子烧结(SPS)技术是一种远离平衡状态的材料制备方法，它生产 效率高，制备的材料结构致密、精细，并且可以实现材料的相组成与结构的调控。 论文研究了AIN陶瓷、AIN／BN复相陶瓷的致密化过程和机理，探讨了烧结 助剂对AIN陶瓷显微结构和热导率的影响。重点研究了SPS烧结AIN／BN复相陶 瓷的显微结构、导热性能和可加工性，利用粉末合成和晶界相纯化工艺控制和调 整AIN／BN复相陶瓷结构和性能，使之在保持良好加工性的基础上具有较高的热 导率。 低粉末的烧结温度，提高烧结体的致密度，同时显著提高试样的导热性能。其中 加入15wt％Sm203试样的热导率可以达到150W／m·K。烧结助剂种类影响A1N试 样中晶界相的分布、晶体发育以及AIN晶粒之间的结合，并通过这些显微结构因 素影响～N陶瓷的热导率。 结在极短的时间内完成，片状h-BN晶体生长对试样致密化的阻碍作用表现得不 明显，AlN／30vol％BN试样也可以达到983％的相对密度。而且SPS烧结的AIN／BN 复相陶瓷具有均匀的显微结构，h-BN晶粒没有出现定向排列。 BN相抑制AIN晶粒的生长，显微结构细化使得少量BN相的引入没有导致 材料力学强度的下降。但随着AIN／BN微米复相陶瓷中BN含量的增大，力学强 武汉理工大学博士学位论文 度降低，材料的热导率、显微硬度、弹性模量和断裂韧性也呈下降趋势，但由于 显微硬度下降很多，材料的可加工性增强，含10～15v01％BN的试样就可以硬质合 金工具加工。 采用硼酸和尿素为原料，通过化学反应原位合成AIN／BN纳米复合粉体，研 究了反应合成过程中反应物配比、温度等参数对合成产物性质的影响，合成粉体 的SPS烧结过程，以及烧结试样的显微结构和性能。 显微结构更加精细，提高了复相陶瓷的力学强度，使AIN／5voI％BN试样的抗弯强 纳米复相陶瓷的热导率普遍低于微米复相陶瓷。随着BN含量的增大，A1N／BN纳 米复相陶瓷的显微硬度、弹性模量和断裂韧性也呈下降趋势，力学强度也逐渐降 低。复相陶瓷力学强度的提高使其机加工的可行性增强。 论文总结了SPS烧结A1N／BN复相陶瓷的显微结构特点，研究了晶界相调整 对MN陶瓷、AIN／BN复相陶瓷显微结构和性能的影响。 采用GPS热处理工艺，使AIN、AIN／BN陶瓷中的晶界相含量减少，晶界相 分布发生改变，AIN晶粒发育完整，有效提高了试样的热导率，使AIN试样的热 导率达到181 60W／m．K。 关键词：AIN陶瓷，A1N／BN复相陶瓷，放电等离子烧结(SPS)，热导率， 武汉理工大学博士学位论文 ABSTRACT A1N／BNceramics with thermal and is compositehigh conductivitymachinability anew inextensi