第24卷第6期 无机材料学报 Vol 24. No 6 009年11月 Joumal of Inorgan ic Materia Nov,2009 文章编号:1000-324X(2009)06-1151404 DOI103724/SPJ1077.200901151 电泳沉积制备氮化铝陶瓷的研究 薛剑峰,李军,周国红,张海龙,王士维 (中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050) 摘要:采用电泳沉积法成功制备相对密度达到69%的均匀氮化铝素坯,经无压烧结后可获得热导率为20W/(m·k)的 氮化铝陶瓷.研究表明,以无水乙醇为溶剂、加入Q1wt聚丙烯酸(PAA)做分散剂、pH值控制在97左右的悬浮液 具有最佳分散性。电泳沉积(EPD)成型比干压成型制备的预烧体孔容减小,比湿法成型制得的预烧体大孔显著减少 用扫描电子显微镜(SHM)对三种不同成型方法制得氮化铝陶瓷的显微结构进行了研究,结果表明,EP法所得氮化 铝陶瓷的显微结构均匀,晶粒尺寸5m左右 关键词:电泳沉积;氮化铝;热导率;显微结构 中图分类号:TQ174 文献标识码:A Fabr ica tion of a lum n ium Nitr ide by e lec trophoretic deposition XUE J ian-Feng, L Jun, ZHOU Guo-Hong, ZHANG Haitong, WANG ShiW Shanghai Institute of Ceram ics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China) Abstract The electrophoretic deposition(EpD) techn ique was developed to prepare an green body with a relative density of 61. 9%. The themal conductivity of the fabricated AN ceram ics was 200W /(m.K)by pressureless sintering at 1800C for 4h in N, atmosphere Well-dispersed, stable suspensions were obtained s suspension media and polyacrylic acid( PAA)as dispersant, the pH value being aound 9. 7. h the case of the Ep ofan green body, the dependence of the deposit mass on the expermental pa- rameters was investigated in detail By Ep from the an suspension body w ith a high homogeneity of the particle coord ination was p roduced Pore size distributon indicated that an calcined body prepared by Ep had smaller pore size and bwer cumulative volume than those fabricated by slp casting or C IP. SEM observations show that m ic struc ture of the an ceram ics prepared by EPD was homogeneous and the grain size was about 5Hm. The results show that elec tropho retic deposition is a p ram ising way t obtan an ceram- Key words electrophore tic depositon; alum in ium nitride, themal conductivity, m icrostructure 随着电子器件微型化、集成化的飞速发展,对集以在各种复杂形状和表面多孔的基体上制备均匀的 成电路所用基片和封装材料提出了更高的要求,要陶瓷镀层;2操作可控,通过控制工艺条件(如电流 求其具有良好的导热性能,其中氮化铝以高热导率、电压、溶液pH值、浓度等)可以精确控制沉积层的厚 低介电系数、高电阻率及与硅相近的热膨胀系数和优度、化学组成结构和孔隙率等;3工艺简单原材料 异的机电性能而受到人们的重视,是目前最有希望利用率高操作容易.因此,EPD成型技术在诸如 的新一代高导热陶瓷基板和封装材料12.氮化铝基ALO3、ZO2和SC陶瓷的成型中进行了大量的研 片目前的成型方法主要有流延、干压、轧膜等,而氮究1.考虑到E成型的上述优点,利用EPD成型 化铝陶瓷EFD成型的相关报导却极少1,国内尚未制备氮化铝陶瓷具有一定的研究意义 见报导.上世纪九十年代, nicholson等发现,电 本工作尝试采用EP法制备氮化铝陶瓷,研究了 泳沉积可以实现先进陶瓷材料的一步成型。电泳沉浆料粘度、PAA添加量等工艺条件对EFD成型性能的 积制备陶瓷材料具有其它方法不可比拟的优点:1可 收稿日期:2004325,收到修改稿日期:20096-19 作者简介:薛剑峰(1986-),男,硕士研究生.通讯联系人:王士维,研究员. Email swang@ mail sic ac cn 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 24卷 第 6期 2009年 11月 无 机 材 料 学 报 Journal of Inorganic Materials Vol. 24, No. 6 Nov. , 2009 文章编号 : 10002324X (2009) 0621151204 DO I: 10. 3724 /SP. J. 1077. 2009. 01151 收稿日期 : 2009203225, 收到修改稿日期 : 2009206219 作者简介 : 薛剑峰 (19862) , 男 , 硕士研究生. 通讯联系人 : 王士维 , 研究员. E2mail: swwang51@mail. sic. ac. cn 电泳沉积制备氮化铝陶瓷的研究 薛剑峰 , 李 军 , 周国红 , 张海龙 , 王士维 (中国科学院 上海硅酸盐研究所 , 上海 200050) 摘 要: 采用电泳沉积法成功制备相对密度达到 61. 9%的均匀氮化铝素坯 , 经无压烧结后可获得热导率为 200W / (m·K)的 氮化铝陶瓷. 研究表明 , 以无水乙醇为溶剂、加入 0. 1wt%聚丙烯酸 ( PAA)做分散剂、pH值控制在 9. 7左右的悬浮液 具有最佳分散性. 电泳沉积 ( EPD)成型比干压成型制备的预烧体孔容减小 , 比湿法成型制得的预烧体大孔显著减少. 用扫描电子显微镜 ( SEM)对三种不同成型方法制得氮化铝陶瓷的显微结构进行了研究 , 结果表明 , EPD法所得氮化 铝陶瓷的显微结构均匀 , 晶粒尺寸 5μm左右. 关 键 词 : 电泳沉积 ; 氮化铝 ; 热导率 ; 显微结构 中图分类号 : TQ174 文献标识码 : A Fabr ica tion of A lum in ium N itr ide by Electrophoretic D eposition XUE Jian2Feng, L IJun, ZHOU Guo2Hong, ZHANG Hai2Long, WANG Shi2W ei ( Shanghai Institute of Ceram ics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China) Abstract: The electrophoretic deposition ( EPD) technique was developed to p repare A lN green body with a relative density of 61. 9%. The thermal conductivity of the fabricated A lN ceram ics was 200W / (m·K) by p ressureless sintering at 1800℃ for 4h in N2 atmosphere. W ell2dispersed, stable suspensions were obtained using ethanol as suspension media and polyacrylic acid (PAA ) as dispersant, the pH value being around 9. 7. In the case of the EPD of A lN green body, the dependence of the depositmass on the experimental pa2 rameters was investigated in detail. By EPD from the A lN suspension, green bodywith a high homogeneity of the particle coordination was p roduced. Pore size distribution indicated that A lN calcined body p repared by EPD had smaller pore size and lower cumulative volume than those fabricated by slip casting or CIP. SEM observations show that m icrostructure of the A lN ceram ics p repared by EPD was homogeneous and the grain size was about 5μm. The results show that electrophoretic deposition is a p rom isingway to obtain A lN ceram2 ics. Key words: electrophoretic deposition; alum inium nitride; thermal conductivity; m icrostructure 随着电子器件微型化、集成化的飞速发展 , 对集 成电路所用基片和封装材料提出了更高的要求 , 要 求其具有良好的导热性能 , 其中氮化铝以高热导率、 低介电系数、高电阻率及与硅相近的热膨胀系数和优 异的机电性能而受到人们的重视 , 是目前最有希望 的新一代高导热陶瓷基板和封装材料 [ 122 ] . 氮化铝基 片目前的成型方法主要有流延、干压、轧膜等 , 而氮 化铝陶瓷 EPD成型的相关报导却极少 [ 3 ] , 国内尚未 见报导. 上世纪九十年代 , N icholson等 [ 425 ]发现 , 电 泳沉积可以实现先进陶瓷材料的一步成型. 电泳沉 积制备陶瓷材料具有其它方法不可比拟的优点 : 1. 可 以在各种复杂形状和表面多孔的基体上制备均匀的 陶瓷镀层 ; 2. 操作可控 , 通过控制工艺条件 (如电流、 电压、溶液 pH值、浓度等 )可以精确控制沉积层的厚 度、化学组成、结构和孔隙率等 ; 3. 工艺简单、原材料 利用率高、操作容易. 因此 , EPD 成型技术在诸如 A l2O3、ZrO2 和 SiC 陶瓷的成型中进行了大量的研 究 [ 629 ] . 考虑到 EPD成型的上述优点 , 利用 EPD成型 制备氮化铝陶瓷具有一定的研究意义. 本工作尝试采用 EPD法制备氮化铝陶瓷 , 研究了 浆料粘度、PAA 添加量等工艺条件对 EPD成型性能的
1152 无机材料学报 第24卷 影响,进而研究了所制备材料的显微结构和热导率 测得沉积体的孔径分布.用热导仪(LFA427, Netzsch, Ge many)测定热扩散系数.采用SM(JsM- 1实验 6390,JOL, Japan)观察烧结体的显微结构 实验过程中所用的主要原料及其性能指标见表12结果和讨论 将氮化铝和氧化钇粉体按比例加入到无水乙醇 中,再加入适量的聚丙烯酸,用三乙胺调节pH值至21O.pH值的影响 97左右,超声数分钟,配置成分散性良好的乙醇基 电泳沉积首先需要获得分散性良好的稳定悬浮 稳定悬浮液.利用烧杯作为电泳槽,选用铂作为电极液由于AN微粉的表面氧化,AN颗粒在乙醇中的 材料,极板间距控制在30mm,沉积电压为50V.沉氢化表面为ADH,颗粒依靠表面吸附H'或OH'离 积结束后将沉积体从电极上取下,经过600℃脱胶处子1,从而稳定存在于乙醇悬浮液中,并随pH值的 理后,在氮气氛常压下1800℃/4h进行烧结.具体工提高,表面电荷从正向负转变.因此,pH值会显著 艺流程见图1 影响乙醇悬浮液中AN颗粒的稳定性.表面电荷的 取适量EP悬浮液浆料,搅拌并除气后把浆料形成机制如下 注入石膏模具中成型,得到浆料浇注( slip casting)的 AOh- OH Ao+HO AN陶瓷素坯.干压静压(CP)成型制备AN陶 需要注意的是,pH计的直接读数通常是指水溶 瓷工艺大致如下:将一定比例的原始粉料球磨混合液的实际pH值;对于有机悬浮液而言,这个读数并 6h后,烘于,过筛,所得粉体在5MP的压强下压不是实际的pH值,通常称为“ Operation pH” 制成中2mm的圆片,然后冷等静压(20MPa)得到opH).对于给定的溶剂, Operation pH值与真实 厚度约为Mm的素坯三种成型方法制备的素坯经的pH值的差值是固定的为了简便操作,下文将直 预烧后,再一同在氮气氛下烧结 接采用pH计的读数(即O.pH值) 浆料的pH值由pH计( Cyberscan PC510,Eu- 分散性良好的稳定悬浮液通常具有高Ze电势 tech, America)测定.使用流变仪( Rheometer S5,低粘度和低离子电导率.对于高固含量的浆料,低粘 Rheometric scientific, America)测定浆料的流变曲线 度是获得稳定悬浮液的首要条件.根据AN粉体的 采用压汞仪( poresize90, m ic romeritics, America)表面性质,可以通过调节pH值使颗粒间产生较大的 表1实验所用的主要原料 排斥力从而制备稳定的乙醇基AN悬浮液.图2给 Table 1 raw ma teri ls 出了固含量为60wt%的浆料粘度随O.pH值的变化 Materials Main poperties 关系剪切速率100s).从图中可以发现,悬浮液 Grade F AN powder Da =1.1Hm 粘度随O.pH值的增加而迅速降低.在O.pH 附近时,粘度已经降得很低,但此时三乙胺的添加量 HH一N, j rangy in J tahua Advanced 急剧上升,继续添加三乙胺对AN悬浮液稳定性的影 Y2O3 powder De =2 0um Material Resources Co 响已甚微.因此,使悬浮液的OpH值达到97左右为 Purity =998% Shanghai L ingfeng Chem ical 佳,即可避免引入多余杂质,又能获得较好的稳定性 Ethanol Facbry Ca, Ltd, China Polyacrylic M。=1800 SigmaA ldrich, U. Trie thy lam ine A lfa Aesar. U. S Weight of triethylamine N+Y]03+ethanol+PAA Miling Stable suspension triethylamine Drying+calcining/600C ELectrophoretic deposition Sintering/800℃ O pH value 图1电泳沉积制备氮化铝陶瓷的工艺流程图 图2粘度随OpH值的变化规律 Fig 1 Flw chat of fabrication of AN ceram ics via ED Fig 2 Variaton of the viscosity as a functon ofO ph value 201904-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.aLlrightsreservedhttp://www.cnki.net
无 机 材 料 学 报 第 24卷 影响 , 进而研究了所制备材料的显微结构和热导率. 1 实验 实验过程中所用的主要原料及其性能指标见表 1. 将氮化铝和氧化钇粉体按比例加入到无水乙醇 中 , 再加入适量的聚丙烯酸 , 用三乙胺调节 pH值至 9. 7左右 , 超声数分钟 , 配置成分散性良好的乙醇基 稳定悬浮液. 利用烧杯作为电泳槽 , 选用铂作为电极 材料 , 极板间距控制在 30mm, 沉积电压为 50V. 沉 积结束后将沉积体从电极上取下 , 经过 600℃脱胶处 理后 , 在氮气氛常压下 1800℃/4h进行烧结. 具体工 艺流程见图 1. 取适量 EPD悬浮液浆料 , 搅拌并除气后把浆料 注入石膏模具中成型 , 得到浆料浇注 ( slip casting)的 A lN陶瓷素坯. 干压 /等静压 (C IP)成型制备 A lN 陶 瓷工艺大致如下 :将一定比例的原始粉料球磨混合 6h后 , 烘干 , 过筛 , 所得粉体在 50MPa的压强下压 制成 <20mm的圆片 , 然后冷等静压 ( 200MPa)得到 厚度约为 3mm的素坯. 三种成型方法制备的素坯经 预烧后 , 再一同在氮气氛下烧结. 浆料的 pH 值由 pH 计 ( Cyberscan PC510, Eu2 tech, America)测定. 使用流变仪 ( Rheometer SR5, Rheometric Scientific, America)测定浆料的流变曲线. 采用压汞仪 (poresizer 9320, m icromeritics, America) 表 1 实验所用的主要原料 Table 1 Raw ma ter ia ls Materials Main p roperties Manufacturer A lN powder Grade F, D50 = 1. 1μm Tokuyama soda, Japan Y2O3 powder JH25N, D50 = 2. 0μm Jiangyin Jiahua Advanced Material Resources Co. , L td, China Ethanol Purity≥99. 8% Shanghai L ingfeng Chemical Factory Co. , L td, China Polyacrylic acid ( PAA) Mw = 1800 Sigma2A ldrich, U. S. Triethylamine Purity≥99% A lfa Aesar, U. S. 图 1 电泳沉积制备氮化铝陶瓷的工艺流程图 Fig. 1 Flow chat of fabrication of A lN ceram ics via EPD 测 得 沉 积 体 的 孔 径 分 布. 用 热 导 仪 ( LFA427, Netzsch, Germany)测定热扩散系数. 采用 SEM (JSM2 6390, JEOL, Japan)观察烧结体的显微结构. 2 结果和讨论 2. 1 O. pH值的影响 电泳沉积首先需要获得分散性良好的稳定悬浮 液. 由于 A lN微粉的表面氧化 , A lN颗粒在乙醇中的 氢化表面为 A lOH, 颗粒依靠表面吸附 H +或 OH - 离 子 [ 4 ] , 从而稳定存在于乙醇悬浮液中 , 并随 pH值的 提高 , 表面电荷从正向负转变. 因此 , pH值会显著 影响乙醇悬浮液中 A lN颗粒的稳定性. 表面电荷的 形成机制如下 : A lOH + 2 H + A lOH OH - A lO - + H2O 需要注意的是 , pH计的直接读数通常是指水溶 液的实际 pH值 ; 对于有机悬浮液而言 , 这个读数并 不是 实 际 的 pH 值 , 通 常 称 为 “Operation pH ” (O. pH). 对于给定的溶剂 , Operation pH 值与真实 的 pH值的差值是固定的. 为了简便操作 , 下文将直 接采用 pH计的读数 (即 O. pH值 ). 分散性良好的稳定悬浮液通常具有高 Zeta电势、 低粘度和低离子电导率. 对于高固含量的浆料 , 低粘 度是获得稳定悬浮液的首要条件. 根据 A lN 粉体的 表面性质 , 可以通过调节 pH值使颗粒间产生较大的 排斥力从而制备稳定的乙醇基 A lN悬浮液. 图 2给 出了固含量为 60wt%的浆料粘度随 O. pH值的变化 关系 (剪切速率 100 s - 1 ). 从图中可以发现 , 悬浮液 粘度随 O. pH值的增加而迅速降低. 在 O. pH = 9. 7 附近时 , 粘度已经降得很低 , 但此时三乙胺的添加量 急剧上升 , 继续添加三乙胺对 A lN悬浮液稳定性的影 响已甚微. 因此 , 使悬浮液的 O. pH值达到 9. 7左右为 佳 , 即可避免引入多余杂质 , 又能获得较好的稳定性. 图 2 粘度随 O. pH值的变化规律 Fig. 2 Variation of the viscosity as a function of O. pH value 1152
薛剑峰,等:电泳沉积制备氮化铝陶瓷的研究 1153 22PAA的影响 添加合适的有机分散剂可使悬浮液粘度达到最 低,从而获得高的电泳迁移率,有利于电泳沉积的进 行.图3示出了同一pH值下悬浮液粘度随PAA加 入量的变化关系固含量60w%,剪切速率100s) 800 该图可分为三个区域,在,PAA的微量增加使悬 浮液的流变性显著变好.这归因于PAA吸附在AN 粉体颗粒表面使其带电性和位阻效应增加,悬浮特 三三 性改善.在I区,随PAA量增加浆料粘度变化不大 粘度在添加量为Qwt时有一最小值.这可能是 10152025303540 AN吸附PAA的饱和区,即PAA覆盖了AN粉体颗 Time/min 粒表面,但溶液中无游离PAA存在.PAA的高分子图4沉积电压和沉积时间对电泳沉积的影响 链可充分伸展但相互之间不连接,位阻和静电排斥Fg4 W eight per aera as a functon of depositon tme under dif- 作用达到最大.在Ⅲ区,随PAA含量的增加浆料粘 ferent app lied voltages 度急剧上升这可归因于当PAA在AN表面吸附饱无法在缺乏自由离子的悬浮清液内进行的.随着 和后又增加PAA,则PAA不能吸附到颗粒表面而是 沉积进行,沉积层厚度增加,当悬浮液全部转变为悬 残留在溶液中,这些溶液中的PAA在吸附PAA的 AN颗粒之间靠高分子链的相接而引起颗粒聚沉,严 浮清液,电泳沉积就不再继续.因此,对于非水基电 重影响AN悬浮液的稳定性.因此,PA的最佳添泳沉积都存在时间点cu,EFD在之前结束 加量为0lwt% 24预烧体的孔径分布 23沉积电压和沉积时间对电泳沉积的影响 图5是三种不同成型方法所得预烧体的孔径分 图4给出了单位面积沉积量随沉积时间及沉积布图.从图中可以看出,孔径基本分布在01 电压的变化规律固含量60%).在不同沉积电压03m间.CP法和EPD法制得的样品基本没有大 下,单位面积沉积量都随沉积时间显著增大,直至极孔,浆料浇注的有大孔存在,分布在03~1um 大值1650mg/am2.然而,随着沉积电压从30v增加大孔产生的原因或许是浇模时混有空气,在制品内 到100V,获得沉积量极大值所需的时间从30mn减部形成气孔,而残留在素坯内的气泡有可能无法通 小至10mn以30V沉积电压为例,需要30mm达到过烧结排出,影响产品性能.从图中还可以看出,干 沉积量极大值,在随后的沉积时间内(~5mn),沉积压预烧体的孔容最高,浆料浇注的孔容其次,EFD的 量不再增加.这是因为电泳沉积过程中,电流是靠自孔容最小.相应的气孔率同样是EP最低,相对密 由离子迁移实现的.当EP开始后,自由离子首先度较高的素坯经烧结后测得热导率较高.因此,有望 在电极附近聚集,失去自由离子的那部分悬浮液通过EPD法制备颗粒堆积均匀的高致密度氮化铝素 转变为离子浓度非常低的悬浮清液,而电泳沉积是坯,从而获得高品质的氮化铝陶瓷 0.1 0.000.050.100.150.200.250.30 图5三种不同成型方法所得预烧体的孔径分布图 图3PAA添加量对AN悬浮液粘度的影响 Fig 5 Pore size distrbution of an samp les by different shap ing Fig 3 Variaton of the viscosity with dispersant concentraton methods 201904-2010ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 6期 薛剑峰 ,等 :电泳沉积制备氮化铝陶瓷的研究 2. 2 PAA的影响 添加合适的有机分散剂可使悬浮液粘度达到最 低 , 从而获得高的电泳迁移率 , 有利于电泳沉积的进 行. 图 3示出了同一 pH值下悬浮液粘度随 PAA 加 入量的变化关系 (固含量 60wt% , 剪切速率 100 s - 1 ). 该图可分为三个区域 , 在 I区 , PAA的微量增加使悬 浮液的流变性显著变好. 这归因于 PAA吸附在 A lN 粉体颗粒表面使其带电性和位阻效应增加 , 悬浮特 性改善. 在 Ⅱ区 , 随 PAA量增加浆料粘度变化不大 , 粘度在添加量为 0. 1wt%时有一最小值. 这可能是 A lN吸附 PAA的饱和区 , 即 PAA覆盖了 A lN粉体颗 粒表面 ,但溶液中无游离 PAA 存在. PAA 的高分子 链可充分伸展但相互之间不连接 , 位阻和静电排斥 作用达到最大. 在 Ⅲ区 , 随 PAA含量的增加浆料粘 度急剧上升. 这可归因于当 PAA在 A lN表面吸附饱 和后又增加 PAA, 则 PAA不能吸附到颗粒表面而是 残留在溶液中 , 这些溶液中的 PAA 在吸附 PAA 的 A lN颗粒之间靠高分子链的相接而引起颗粒聚沉 , 严 重影响 A lN 悬浮液的稳定性. 因此 , PAA 的最佳添 加量为 0. 1wt%. 2. 3 沉积电压和沉积时间对电泳沉积的影响 图 4给出了单位面积沉积量随沉积时间及沉积 电压的变化规律 (固含量 60wt% ). 在不同沉积电压 下 , 单位面积沉积量都随沉积时间显著增大 , 直至极 大值 1650mg/ cm 2 . 然而 , 随着沉积电压从 30V增加 到 100V, 获得沉积量极大值所需的时间从 30m in减 小至 10m in. 以 30V沉积电压为例 , 需要 30m in达到 沉积量极大值 , 在随后的沉积时间内 (～5m in) , 沉积 量不再增加. 这是因为电泳沉积过程中 , 电流是靠自 由离子迁移实现的. 当 EPD开始后 , 自由离子首先 在电极附近聚集 , 失去自由离子的那部分悬浮液 转变为离子浓度非常低的悬浮清液 ,而电泳沉积是 图 3 PAA添加量对 A lN悬浮液粘度的影响 Fig. 3 Variation of the viscosity with dispersant concentration 图 4 沉积电压和沉积时间对电泳沉积的影响 Fig. 4 W eight per aera as a function of deposition time under dif2 ferent app lied voltages 无法在缺乏自由离子的悬浮清液内进行的 [ 3 ] . 随着 沉积进行 , 沉积层厚度增加 , 当悬浮液全部转变为悬 浮清液 , 电泳沉积就不再继续. 因此 , 对于非水基电 泳沉积都存在时间点 tend , EPD在 tend之前结束. 2. 4 预烧体的孔径分布 图 5是三种不同成型方法所得预烧体的孔径分 布图. 从图中可以看出 , 孔径基本分布在 0. 1 ～ 0. 3μm区间. C IP法和 EPD法制得的样品基本没有大 孔 , 浆料浇注的有大孔存在 , 分布在 0. 3～1. 0μm. 大孔产生的原因或许是浇模时混有空气 , 在制品内 部形成气孔 , 而残留在素坯内的气泡有可能无法通 过烧结排出 , 影响产品性能. 从图中还可以看出 , 干 压预烧体的孔容最高 , 浆料浇注的孔容其次 , EPD的 孔容最小. 相应的 ,气孔率同样是 EPD最低 , 相对密 度较高的素坯经烧结后测得热导率较高. 因此 , 有望 通过 EPD法制备颗粒堆积均匀的高致密度氮化铝素 坯 , 从而获得高品质的氮化铝陶瓷. 图 5 三种不同成型方法所得预烧体的孔径分布图 Fig. 5 Pore size distribution of A lN samp les by different shap ing methods 1153
1154 无机材料学报 第24卷 图6三种成型方法烧结体断口形貌 Fig 6 SEM m icmgraphs of sintered samp les shaped by (a)EpD,(b)slp casting (c)CIP, respectively 25三种成型方法烧结体断口形貌 浇注成型 基于AN陶瓷的导热机理,AN热导率与其显微 3)运用EPD法成功制得高堆积密度的均匀素 结构密切相关.对AN陶瓷而言,理想的显微结构应坯,相对密度达619%,烧结后的氮化铝陶瓷热导 该是致密度高,晶型完整,AN晶粒细小均匀呈多面率达200W/(m·K 体,AN晶粒之间多以面面紧密接触,这种结构有利 于热的传导.图6是三种成型方法制得试样烧结体参考文献 的断口形貌图.通过SM观察,可以看到EPD法 图6(a))所得试样晶粒大小较均匀,晶粒尺寸5 Hm [1] Slack GA, TanzilliR A, PohIro, et al J Phys Chen. Solid. 左右.晶粒棱角尖锐,呈比较规则的多面体,经测 1987,48(7):641647 定,试样的热导率达到20W/(m·K).而浆料浇注 [2] Sheppard L M A. Cerum. Soc Bull, 1990, 69(11): 180 [3] Moritz K, Muller E J. Matr Sci, 2006, 41(24):8047 法图6(b)或CP(图6(c)所制备样品的热导率(41 Sarkar P, Nicholson P S J Am. Cerman. Soc,196 分别为180和170/(m·K) 1987-2002 [5] Wang G, Sarkar P, Nicholson P S J Am. Cerm. Soc, 1996, 80 结论 [6] Krell A, Blank P. J Eur Cern. Sac, 1996, 16(11):1189- 1)在m=97附近,添加01BA的悬浮71 holson P S, Sarkar P, HuangX J Mater Sci, 1993, 28(23) 液达到最佳的稳定状态.对于稳定的悬浮液,沉积电 压能提高单位面积沉积速率,缩短沉积时间,但过高[81 Meisel R L Electrophoretic Depositon of a-SC with the Sintering 的沉积电压会导致沉积体表面起伏不平,较优的沉 Additives C and B.C. Universitat des Saarlandes, PhD thesis, 1994 积电压为50V [9] Shan Meng, Mao Xiaojian, Zhang Jian, et al Cenam. ht, 2009 35(5):1855-1861. 2)氮化铝颗粒通过EP成型在微观尺度上实现 均匀堆积,其孔径分布优于干压簷等静压成型或浆料 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
无 机 材 料 学 报 第 24卷 图 6 三种成型方法烧结体断口形貌 Fig. 6 SEM micrographs of sintered samp les shaped by ( a) EPD, ( b) slip casting, ( c) CIP, respectively 2. 5 三种成型方法烧结体断口形貌 基于 A lN陶瓷的导热机理 , A lN热导率与其显微 结构密切相关. 对 A lN陶瓷而言 , 理想的显微结构应 该是致密度高 , 晶型完整 , A lN晶粒细小均匀呈多面 体 , A lN晶粒之间多以面面紧密接触 , 这种结构有利 于热的传导. 图 6是三种成型方法制得试样烧结体 的断口形貌图. 通过 SEM 观察 , 可以看到 EPD 法 (图 6 ( a) )所得试样晶粒大小较均匀 , 晶粒尺寸 5μm 左右. 晶粒棱角尖锐 , 呈比较规则的多面体 , 经测 定 , 试样的热导率达到 200W / (m·K). 而浆料浇注 法 (图 6 ( b) )或 C IP (图 6 ( c) )所制备样品的热导率 分别为 180和 170W / (m·K). 3 结论 1) 在 pH = 9. 7附近 , 添加 0. 1wt% PAA的悬浮 液达到最佳的稳定状态. 对于稳定的悬浮液 , 沉积电 压能提高单位面积沉积速率 , 缩短沉积时间 , 但过高 的沉积电压会导致沉积体表面起伏不平 , 较优的沉 积电压为 50V. 2) 氮化铝颗粒通过 EPD成型在微观尺度上实现 均匀堆积 , 其孔径分布优于干压 /等静压成型或浆料 浇注成型. 3) 运用 EPD 法成功制得高堆积密度的均匀素 坯 , 相对密度达 61. 9% , 烧结后的氮化铝陶瓷热导 率达 200W / (m·K). 参考文献 : [ 1 ] Slack G A, Tanzilli R A, Pohl R O, et al. J. Phys. Chem. Solids. , 1987, 48 (7) : 6412647. [ 2 ] Sheppard L M. Am. Ceram. Soc. B ull. , 1990, 69 (11) : 180121803. [ 3 ] Moritz K, Muller E. J. M ater. Sci. , 2006, 41 (24) : 804728058. [ 4 ] Sarkar P, N icholson P S. J. Am. Ceram. Soc. , 1996, 79 ( 8 ) : 198722002. [ 5 ] Wang G, Sarkar P, N icholson P S. J. Am. Ceram. Soc. , 1996, 80 (4) : 9652972. [ 6 ] Krell A, Blank P. J. Eur. Ceram. Soc. , 1996, 16 ( 11 ) : 11892 1200. [ 7 ] N icholson P S, Sarkar P, Huang X. J. M ater. Sci. , 1993, 28 (23) : 627426278. [ 8 ] Meisel R L. Electrophoretic Deposition ofα2SiC with the Sintering Additives C and B4C. Universit¾t des Saarlandes, PhD thesis, 1994. [ 9 ] Shan Meng, Mao Xiaojian, Zhang Jian, et al. Ceram. Int. , 2009, 35 (5) : 185521861. 1154
