氮化铝弯曲强度.pdfVIP

氮化铝(AlN)是强共价化合物，被F.Briegler和A.Geuther于1862年发现。氮化铝是

二元Al-N系中唯一稳定存在的化合物，具有六方纤锌矿的特点，在AlN晶胞中，每个

Al原子填充在以4个N原子为顶点的四面体空隙中，形成[AlN4]四面体。在氮化铝晶

体中，Al-N键的平均键长为0.1885nm，而[001]方向的Al-N键键长为0.1917nm，相

较其他三根Al-N键，所以形成了一个畸变的[AlN4]四面体结构，其空间群为P63mc，

晶格常数为a=0.311nm，c=0.978nm。

图氮化铝陶瓷，摄于华清电子CMPE2023展

AlN具有以下四个方面的优异性能：

1)热学性能。单晶氮化铝的热导率理论值可达320W/(m·k)，室温下其热导率是Al2O3

的数倍，与氧化铍的热导率(理论值为350W/(m∙k))相近，并且无毒无害。随着温度升

高，氮化铝的导热性能会逐渐优于氧化铍。在常温下氮化铝的热膨胀系数(4.5×10−6˚C)

与硅的热膨胀系数(3.5~4×10−6˚C)接近。

2)电学性能。常温下，氮化铝是优良的绝缘材料，其电阻率约为1014Ω∙cm并且击穿

电压可达到15kV/mm；氮化铝与氧化铝的介电常数相近，可达8.9F/m(1MHz)，氮化

铝的介电损耗约为(3~10)×10−4(1MHz)。

3)力学性能。常温下，氮化铝陶瓷硬度约为12GPa，密度理论值约为3.26g/cm3，杨

氏模量为308GPa，莫氏硬度为7~8。氮化铝在2200℃左右分解，室温下抗弯强度可

达到300MPa。氮化铝的强度受温度的影响不大，如温度为1300℃时，氮化铝的高温

强度比室温下的强度降低约20%，而氧化铝和氮化硅在高温下下，其强度总体要减少

50%。

4)化学性能。氮化铝材料耐高温抗腐蚀，可以稳定存在于砷化镓等化合物的熔盐中，

并且铝、铜、镍等金属也无法浸润氮化铝材料。氮化铝开始发生氧化的温度约为

700℃~800℃，常温下使用氮化铝材料不用考虑器件被氧化的问题。氮化铝容易与空气

中的水蒸气发生反应，因此需要在干燥阴凉处保存。

AlN陶瓷的成型方法有干压、等静压、粉末注射成型和流延成型等。根据产品不同的

性能要求以及生产成本的控制，需选择合适的成型方法。

1、干压成型

干压成型由于操作简单可实现连续生产的优点，在工业生产中得到了广泛的应用，在

原料混合均匀后，加入适量的结合剂进行造粒，向模具中加入一定量的造粒后的粉料，

在压片机上加压形成一定形状的坯体，所施加的压力与所要求的成品性能相关。

干压成型具有工艺简单效率高、在工业应用中容易进行连续生产等优点；但是在压片

过程中容易形成应力分布不均造成坯体密度不均，组织结构的均匀性相对较差，会产

生开裂、分层等现象；另外模具的造价较高，连续的轴向压制对模具的损害较大导致

生产成本上升。

2、等静压成型

等静压成型是将粉体放入高压容器中，利用液体对粉末施加压力，粉体受到来自各个

方向并且相等的力，所以冷等静压工艺制备的样品密度高且均匀。等静压成型根据加

压过程中的温度可分为冷等静压、温等静压、热等静压。一般情况下，粉体主要采用

冷等静压成型，压力范围为100~400MPa。等静压成型过程可以分成三个阶段：初期

压力较小，粉体颗粒开始承受压力进行一定程度的重新堆积；中期压力升高，颗粒发

生局部流动，部分团聚粉体出现碎化现象；后期压力达到峰值，排出气体，体积进一

步压缩，坯体达到致密化。

等静压成型可以生产具有复杂形状的AlN陶瓷，制备出的坯体密度高且均匀。但由于

生产成本较高、生产效率较低，等静压成型在工业生产中的应用较少。

3、粉末注射成型

粉末注射成型是一种结合现代高分子注塑理论与陶瓷制造技术的成型方法，是将氮化

铝粉末与有机粘结剂等原料均匀混合，原料混合后在一定温度、一定压力下被高速送

入注塑成型室内进行成型，成型后采用合适的方法脱除坯体中的粘结剂，最后经烧结

获得产品，工艺流程如图所示。

陶瓷粉末注射成型可以制造形状复杂、尺寸精度要求高的产品。注射成型具有成型样

品精度高表面粗糙度小、密度均匀、强度高、易实现连续生产等优点，注射成型技术

广泛应用于电子信息工程、生物医疗、钟表业以及航空航天等工业领域。但是注射成

型主要用于制备小型精密部件，在大部件的制造中成本仍然较高。

4、流延成型

流延成型是将氮化铝粉料与各种添加剂均匀混合制成浆料，而后浆料经漏斗传送至载

带上，通过载带和刮刀