AlN陶瓷SPS致密化及其电性能研究

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AlN陶瓷作为新一代功能陶瓷材料的代表,有着其他陶瓷材料无法比拟的优良特性:热导率高、介电常数低、电绝缘性高、无毒、热膨胀系数与Si相匹配等。因此,它被认为是新一代基板材料的最佳选择,受到了广泛关注。本文以制备高相对密度和电性能可控的AlN陶瓷为目标,分析探讨了利用放电等离子烧结工艺制备纯氮化铝以及添加稀土金属氧化物Y2O3、Sm2O3作为AlN烧结助剂的烧结致密化过程,实验发现SPS方法下添加稀土金属氧化物可以形成低熔点的稀土金属铝酸盐,在烧结过程中形成液相从而促进烧结,制备出了致密约为98.6%的AlN复合陶瓷,并且添加Sm2O3可以显著改善AlN的电性能。进一步研究发现,延长保温时间(至40min)、控制稀土金属Sm2O3的添加量为1wt%-5wt%制备的AlN陶瓷接近完全致密,其电阻率随着Sm2O3的添加量的变化在3wt%附近出现了最低点,对应电阻率为1.33×1010Ω·cm。以Sm2O3作为烧结助剂、引入高导电相氮化钛作为电性能调节剂,氮化铝基复合陶瓷的电阻率随氮化钛含量的增加呈现出导电渗流变化规律,渗流阈值约为12.5vol%,对应氮化铝陶瓷的相对密度为96.3%,,电阻率约为5×109Ω·cm。综上所述,通过在SPS工艺下保温40min,添加2-4wt%Sm2O3作为氮化铝的烧结助剂,在促进致密化、提高相对密度的同时显著降低了AlN陶瓷的电阻率(1.33×1010Ω·cm);通过保温10min,添加氧化钐作烧结助剂、引入氮化钛可以制备电阻率低于1010Ω·cm的氮化铝陶瓷。
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