氮化铝粉末特性对氮化铝-氮化硼复合陶瓷结构和性能的影响

ＡｌＮ＿＿ＢＮ复合陶瓷结构和性能的影响，至今尚未见 相关报道。实验中，用２种比表面积不同的ＡｌＮ粉 末为原料，研究了无压烧结工艺下，ＡｌＮ粉末特性 对ＡｌＮ＿ＢＮ复合陶瓷致密化行为以及显微结构和性 能的影响。
１实
验
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用碳热还原法制备２种ＡｌＮ粉末，其中：用沉 淀前驱物制备ＡｌＮ粉末１：用低温燃烧合成前驱物 制备Ａ１Ｎ粉末２，具体制备工艺如文献［９—１ ０］所述。 ｈ＿ＢＮ粉末为市售粉末。表１列出了２种ＡｌＮ粉末 和ＢＮ粉末的性能。由表ｌ可以看出：２种ＡｌＮ粉 末的比表面积和氧含量ｆ质量分数，下同）差别较大， ＡｌＮ粉末１的比表面积和氧含量分别为４．２６ ｍ２儋和 ０．９８％；Ａ１Ｎ粉末２的比表面积和氧含量分别为１７．４ ｍ２／ｇ和１．６９％，均高于ＡｌＮ粉末１的。图ｌ为２种 ＡｌＮ粉末的ＳＥＭ照片。由图１可以看出：２种粉末 均为形状规则的近球形颗粒，分散性能良好，其中： ＡｌＮ粉末１粒度较粗，平均粒径为０．４ ｕｍ；ＡｌＮ粉
第３５卷第３期 ２００７年３月
硅酸盐学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＨＥ ＣＨｎｑＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳＯＣＩＥＴＹ
Ｖ０１．３５，Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ，２００７
氮化铝粉末特性对氮化铝一氮化硼复合陶瓷结构和性能的影响
秦明礼１，杜学丽１，一，孙伟１，李帅１，曲选辉１，３
（１．北京科技大学材料科学与工程学院，北京１０００８３；２．天津理工大学材料科学与工程学院，天津３００１９１； ３．北京科技大学，新金属材料国家重点实验室，北京１０００８３）
ｔｅｍｐｅｒａ＿ｃＩ】ｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ’ｍｅ ｔｈｅｎｎａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｌＪｒｅ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ １３２．６Ｗ／（ｍ·Ｋ）
ｗｈｅｎ ｓｉｍｅｒｅｄ ａｔ １ ８５０℃，ｂｕｔ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｗａｓ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｔｏ日蠢．＝６４．２．Ｆｏｒ ＡｒＮ—１５ＢＮ ｃｅｒ锄ｉｃｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｏｗｄｅｒｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｆｂｍ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ’ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａ＿ｃｌｌｒｅ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒ肌ｇｅ ｏｆ １ ６５０＿一１ ８００℃．Ｔｈｅ ＡｌＮ一１ ５ＢＮ ｃｅｒ锄ｉｃｓ ｗｉｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎ—
氮化铝（Ａ１Ｎ）陶瓷具有高的热导率、可靠的电绝 缘性、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以 及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良性能，在
许多高技术领域的应用越来越广泛【１。２］。但是，ＡｌＮ 陶瓷材料硬度高（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ硬度％ｈ＝９０左右）、脆性 大，难以机械加工。六方氮化硼（ｈ＿ＢＮ）陶瓷具有层
末２的平均粒径为０．１哪。
。
ＡｌＮ Ｄｏｗｄｅｒ ｌ ＡｌＮ ｐｏｗｄｅｒ ２ ＢＮ
Ｔａｂｌｅｌ
表１原料粉末的性能 Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｏｗｄｅ邢
Ｍｅａｌｌ ｐａｎｉｃｌｅ ｓｉｚｅ／ Ｓｐｅｃｍｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｃａ／
ｕｍ
（ｍ二·ｆ。）
０．４
４．２６
１７．４
１２．８
ｗ（Ｎ）／ ％
３３．２０ ３２．５６ ４２．６１
ｗ（Ｏ）／ ％ ０．９８
ｗ（Ｆｏ）， ％
０．００１ ３ ０．００ｌ ０ ０．０１００
ｗ（Ｓｉ）／ ％
Ｏ．００ｌ １ ０．ＯＯＯ ８ Ｏ．０５００
ｗ（Ｃａ）／ ％
０．０１８０ Ｏ．００１ ２ Ｏ．０４００
Ⅵ，（Ｎｉ）／ ％
０．００１ Ｏ Ｏ．０００ ５ Ｏ．０１００
ｓｉｔｙ ８６．４％，ｔｈｅｍｌａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉＷ ｌ ０４．２ Ｗ／（ｍ·Ｋ）ａｎｄ‰，＝５６．２ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｆｋｒ ｓｉｍｅｒｉｎｇ ａｔ １ ８５０℃ｆｏｒ ３ ｈ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ—ｂｏｍｎ ｎｉ廿ｉｄｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ；ｔｈｅｎｎａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉＶｉｔｙ；ｄｅｎｓｉ匆ｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅ
ｃｅｒ锄ｉｃｓ．Ｔｈｅ ｏｆ ＢＮ ｉｓ １ ５％ｉｎ ｍａｓｓ）ｃｏｍＤｏｓｉｔｅ
ｅｆｆｂｃｔ ｏｆ ＡｌＮ ｐｏｗｄｅｒ ｃｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
ｃｈ撇ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ＡｌＮ—ｌ ５ＢＮ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴＷｏ ｄｉ丘宅ｒｅｍ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＡｌＮ）ｐｏｗｄｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａｓ ｏｆ ４．２６ ｍ‘／ｇ ａｎｄ １ ７．４ ｍ２／ｇ ａＪｌｄ ｏｘｙｇｅｎ
ｃｏｍｅｎｔｓ ｏｆ ０．９８％（ｉｎ ｍａｓｓ，ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ）ａｎｄ １．６９％ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａｌｕＩｌｌｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ＿ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ（ＡｌＮ—ｌ ５ＢＮ，ｃｏｎｔｅｎｔ
摘要：以比表面积为４．２６ｍ！／ｇ、氧含量（质量分数，下同）为Ｏ．９８％和比表面积为１７．４ｍ２／ｇ、氧含量为１．６９％的２种ＡｌＮ粉末为原料，用无压烧结工 艺制备氮化铝氮化硼（ＡｌＮ １５ＢＮ，ＢＮ为１ ５％）复合陶瓷，研究了Ａ１Ｎ粉末对复合陶瓷显微结构和性能的影响。结果表明：ＡｌＮ粉末对复合陶瓷的致 密化过程以及陶瓷的性能有重要影响。由丁二高比表面积ＡｌＮ粉末的烧结活性好，ＡｌＮ一１５ＢＮ复合陶瓷的烧结致密化温度主要集中在ｌ ５００～１ ６５０℃之 间。在ｌ ６５０℃烧结３ ｈ后，Ａ１Ｎ—１５ＢＮ复合陶瓷的相对密度可达９５．６％，热导率为１０８．４ ｗ，（ｍ·Ｋ），硬度日Ｒ。为７２。继续升高烧结温度，ＡｌＮ一１５ＢＮ 复合陶瓷的致密度变化／｛；大，热导率升高，硬度下降。在１ ８５０℃烧结后，ＡｌＮ－一１５ＢＮ复合陶瓷的热导率为１３２．６ ｗ“ｍ·Ｋ），Ｒｏｃｋｗｅｌｌ硬度（＾，Ｒ。）为６４．２。 低比表面积的ＡｌＮ粉末所制备的ＡｌＮ—１５ＢＮ复合陶瓷的致密化过程主要发生在１ ６５０～１ ８００℃间。在１ ８５０℃烧结３ ｈ，制备出ＡｌＮ一１５ＢＮ复合陶瓷 的相对密度为８６．４％，热导率为１０４．２Ｗ／（ｍ·Ｋ），环．为５６．２。
ｈ－ＢＮ陶瓷属于共价化合物，固相扩散系数低， 是一种很难烧结的材料。另外，由于ｈ＿ＢＮ为片状 晶体结构，高温下烧结时这种片状晶体结构的生长 不仅不能使陶瓷致密，反而会由于片状晶体的长大 形成卡片房式结构，起到支撑作用而阻碍材料的收 缩和致密【５剖。为了获得高致密度的ＢＮ复合陶瓷， Ｋａｎａｉ等【７Ｊ研究了不同的烧结工艺，并通过添加ＣａＣ２， Ｙ２０３，Ｃａｏ和Ｍ９０等烧结助剂，在热压条件下制 备出致密度大于９６％的复合陶瓷。众所周知，除了 改善烧结方式外，提高粉末烧结活性是促进材料致 密化的另一条重要途径，Ｈａｇｉｏ等【８Ｊ用机械一化学活 化法提高了ｈ＿ＢＮ的活性，使其烧结性能得到明显 改善。然而，通过改变ＡｌＮ粉末性能来制备ＡｌＮ－＿ＢＮ 复合陶瓷，研究无压烧结工艺中Ａ１Ｎ粉末特性对
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ ｕｎｉｖｅｒｓ毋ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９１；３．ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉ够ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｌｌｎｏｌｏｇ）ｒ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８３，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期： ２００６＿０９＿０７。
修改稿收到日期：２００６ ｌｌ ０８。
基金项目： 国家杰出青年科学基金（５００２５４１２）：国家重点基础研究发展
规划（Ｇ２００００６７２０３）资助项目。
第一作者： 秦明礼（１９７５～），男，博士，副研究员。
通讯作者： 杜学丽（１９７２～），女．博士研究生。
万方数据
ｄｏｃｔｏｒ ｄｅｇｒｅｅ．
Ｅ—ｍａｉｌ：ｄ７２８８＠１２６．ｃｏｍ
第３５卷第３期
秦明礼等：氮化铝粉末特性对氮化铝一氮化硼复合陶瓷结构和性能的影响
·３３３·
状结构，质地柔软，抗热震性好，易于机械加工， 因此，将二者复合可以改善Ａ１Ｎ的加工性能，制备 出性能优异的可加工氮化铝一氮化硼（ＡｌＮ＿ＢＮ）复合 陶瓷。另外，由于ＢＮ还具有非常低的介电常数和 介电损耗，ＡｌＮ－ＢＮ复合陶瓷还被作为高性能输能 窗和行波管中的夹持杆材料【３川。
¨，（ｃ）／ ％
Ｏ．０８００ Ｏ．１７００
一
以无水乙醇为介质，在塑料罐中将Ａ１Ｎ粉末、 ＢＮ粉末和Ｙ２０３粉末湿法混磨３～５ｈ后，将浆料于 ７０℃烘干、粉碎、过筛。将所得混合粉末先后用单 向钢模压制和冷等静压成型，制得陶瓷素坯。将素 坯放入石墨坩埚中烧结，在氮气流速为１．０ Ｌ／ｍｉｎ的 立式碳管炉加热烧结，升温速率为３℃／ｍｉｎ，烧结 温度在１ ４００～１ ８５０℃之间，在适当的温度保温３ｈ， 制备出烧结样品。
关键词：氮化铝一氮化硼复合陶瓷：热导率 致密化；显微结构 中图分类号：Ｔ０１７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４５和５６４８（２００７）０３一０３３２一０５
ＥＦＦＥＣＴ ｏＦ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＰｏＷＤＥＲ ＣＨＡＲＡＣＴＥＩＵＳＴＩＣＳ ｏＮ ＭＩＣＲｏＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＡＮＤ ＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳ ｏＦ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ—ＢｏＲｏＮ ＮＩＴＲＩＤＥ ＣｏＭＰｏＳＩＴＥ ＣＥＲＡＭＩＣＳ
！：≥刀ｖ膨，理７，，Ｄ己，．砌Ｐ，ｆ１．＿，ｓ己刀、ｒｗＰｆｌ，．Ｌ，．Ｓ而甜日ｆ１，Ｑ乙ｒ．ｊ氲口聆办“ｊ１，３ （１．ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｕｎｉｖｅｒｓ崎ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３；２．ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
用ｍｃｈｉｍｅｄｅｓ排水法测量ＡｌＮ陶瓷烧结样品的 密度。用ＮＥＴｚＳＣＨ ＬＦＡ ４２７激光热导仪测定烧结 样品的热扩散系数０［，然后计算所制备Ａ１Ｎ陶瓷样 品的热导率∥１１】。用日本３０１４＿ｚ２型Ｘ射线衍射 （Ｘ．ｒａｙ ｄｉ衢ａｃｔｉｏｎ，ＸＲＤ，Ｃｕ Ｋ。）仪分析不同温度下 烧结样品的物相组成。用ＪＳＭ一５６００ＬＵ型扫描电镜 （ｓｃａｎｎ 万ｉｎｇ方ｅ数ｌｅｃ据ｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）观察陶瓷材料
ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｗａｓ ａｔ １ ５００—１ ６５０℃．Ｔｈｅ ＡｌＮ一１ ５ＢＮ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ９５．６％ａｎｄ Ｒｏｃｋｗｅｌｌ ｈａｒｄｎｅｓｓ日Ｒ．＝７２
ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａＲｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｔ １ ６５０℃ｆｏｒ ３ ｈ．Ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｄｉｄ ｎｏｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｉｎｕａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
ｏｆ Ａｎｑ ｐｏｗｄｅｒ ｈａｖｅ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｎｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｔｅｍｐｅｒ籼ｅ ａｎｄ Ｄｒ０Ｄｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａ１Ｎ—ｌ ５ＢＮ ｃｅｒ锄ｉｃｓ．Ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ ＡｌＮ ｐｏｗｄｅｒｓ ｓＶｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２００６＿０９＿０７．
Ａｐｐｒｏｖｅｄ ｄａｔｅ：２００６＿１１＿０８．
Ｆｉｒｓｔ ａｕｔｈｏｒ：ＱｒＮ Ｍｉｎｇｌｉ（１９７５ ）＇ｍａｌｅ，ｄｏｃｔｏｈ ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｅｌｌｏｗ．
Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｌｑｉｎ７５＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ ａｕｔｈｏｒ：ＤＵ Ｘｕｅｌｉ（１９７２一），ｆｅｍａｌｅ，ｐｏｓｔｇｍｄｕａｔｅ ｓｔｕｄｅｎｔ ｆｏｒ