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. 题目名称：氮化硅陶瓷的制备 学院名称：材料科学与工程学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师 ： 2014 年 4 月 . . 氮化硅陶瓷的制备 1．简介 1.1 应用背景 作为结构陶瓷， 氮化硅陶瓷材料具有优良的耐磨、 耐腐蚀、耐高温性能以及良好 的抗热震性能，广泛应用于航空航天、机械、电子电力、化工等领域。采用适当的烧 结助剂可有效提高氮化硅陶瓷材料的热导率， 增加材料断裂韧性，促进材料性能完善。 研究结果表明，以 CeO2 为烧结助剂，氮化硅的相变转换率为 ；当 2 100% CeO 含量不超过 8mol% 时，氮化硅晶界相的构成主要为 Ce4.674 3 、 2 2 以及 (SiO ) O Si ON Ce2Si2O7，其结晶析出状况随烧结助剂含量增加呈规律性变化；晶粒尺寸随烧结助剂含量增加变化微弱，长柱状晶数目增多。烧结助剂 CeO2 通过对晶界相及微观结构的 影响作用于氮化硅陶瓷材料相对密度、强度、硬度及断裂韧性， CeO2 含量变化对氮 化硅陶瓷材料力学性能影响显著。 当 CeO2 含量不超过 7mol%时，氮化硅陶瓷材料的热扩散系数及热导率随 CeO2 含量增加而升高，CeO2 含量由 1mol%增加至 7mol%时， 氮化硅陶瓷材料热扩散系数增加 50%，热导率增加 38.7%。且氮化硅热传导导机制为声子导热，其热导率的大小依赖于氮化硅晶粒的净化程度。 1.2 研究意义 作为信息、 交通、航空航天等科技领域发展基础之一的电力电子技术， 应其对电力的有效控制与转换的要求，电子器件一直向小尺寸、高密度、大电流、大功率的趋 势发展。伴随大功率、超大规模集成电路的发展，其所面临的热障问题愈加突出，器件设计中的热耗散问题亟待解决 （在温度高于 100℃时，电路失效率会随着温度的升高成倍增长）。较玻璃、树脂等材料，电子陶瓷材料凭借其优异的绝缘性能、化学稳 定性以及与芯片最为相似的热膨胀系数使其在基板材料中占据重要地位。 降低基板材料热阻的主要途径有两种： 减小基板厚度、 提高材料热导率， 为此对基板材料强度要求升高。高热导率陶瓷材料主要应用于集成电路（ IC）衬底，多芯片组装（ MCM ）基板、封装以及大功率器件散热支撑件等部位， 其中研究较多的有 Al 2O3 、BeO、AlN 、 BN 、 Si3N4、SiC 等陶瓷材料。其中多晶氧化铝的热导为 25~35Wm-1K -1，其单晶结 构热导为 40Wm-1K -1。而以高热导率著称的氧化铍，热导率在 240 Wm-1K -1 左右，但 因为使用安全问题而被氮化铝替代。 SiC 的介电性能远低于其它基板材料， 易被击穿， 故其使用受到限制。 而现今性能较为优异的两种封装材料： 氮化铝与氧化铍， 前者造 价昂贵后者具有毒性。氮化铝的热导率范围为 175~200 Wm -1K -1，但其弯曲强度在 300~350MPa 之间，远低于氮化硅陶瓷材料（ 600~1500MPa），且氮化硅的热膨胀系数低于以上高热导率陶瓷材料。 高热导率氮化硅陶瓷材料具有其他陶瓷材料无法比拟的高强度、 高断裂韧性以及 抗热震性能，其作为一种理想的结构材料可以为电子器件的热耗散设计提供一种新的 材料选择。具有较高热导率的高性能氮化硅陶瓷的制备需求随着氮化硅陶瓷材料的潜 . . 在应用范围的扩展不断增加， 而烧结助剂在制备高性能氮化硅过程中对材料性能影响的相关研究较少。 1.3 制备方法 致密氮化硅陶瓷材料常用的烧结方式有以下几种： 反应烧结、气压烧结、 热等静压烧结以及热压烧结， 近年来放电等离子烧结、 无压烧结等烧结方式也因其具有的不同优势受到学者的关注。 上世纪 90 年代中期研究人员多采用热等静压烧结制备具有较高热导率的氮化硅陶瓷材料， 目前制备高热导率氮化硅使用最多的两种烧结方式为气压烧结和反应烧结。 气压烧结 气压烧结时较高的氮气压可使氮化硅的分解温度升高， 因此气压烧结氮化硅时一般采用较高的烧结温度， 而烧结温度的升高有利于氮化硅晶粒的生长和完善， 有利于提高烧结体的热导率。 且气压烧结条件决定了烧结体微观结构的均匀性， 使用气压烧结制备氮化硅陶瓷材料，可获得各向同性的烧结体。 1996 年 Hirosaki 等人使用气压烧结 （烧结温度： 2000℃，氮气压： 100MPa） 制备出热导率高达 120 Wm-1K -1 的氮化硅陶瓷材料，气压烧结便以其节能、高效， 对 产品尺寸的无要求性逐渐成为制备高热导率氮化硅的主要烧结方式。Yokota 等人也 通过实验验证了晶种引入并不是影响材料热导率的因素，其烧结温度为1950℃，保 温时间 16 小时，获得的氮化硅烧结体热导率为 143 Wm -1K -1。Ye 等人采用气压烧 结在烧结温度 2200℃条件下