原位反应合成AlN增强BN复合材料结构与性能研究

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氮化铝(AlN)陶瓷具有优异的综合性能,具有高热导率、高绝缘性、低介电常数和介电损耗,是大规模集成电路、半导体模块和大功率器件的理想散热材料和封装材料。六方氮化硼(h-BN)陶瓷具有优异的介电性能、良好的机械加工性能、高绝缘性、良好的抗热震性。然而AlN和h-BN难烧结;同时AlN硬度大,断裂韧性低,BN质地软、强度低。因此,AlN和h-BN单相材料应用在很大程度上受到了限制。 本文以铝(Al)和氮化硼(h-BN)为原料,采用真空原位反应法合成AlN增强体,研究了热处理温度、保温时间、反应原料比对反应产物的影响,物相分析结果表明:随着热处理温度的升高、保温时间的延长、Al/BN原料比值的增大,原位合成产物AlN含量增加。依据分析结果,结合AlB2的氮化温度,确定原位合成AlN工艺参数为:热处理温度为950℃,保温时间为2h。 采用热压及SPS(放电等离子烧结)两种方法制备AlN增强BN复合材料。研究不同烧结温度、反应原料配比等制备条件下的烧结过程特点。烧结体微观结构分析表明烧结温度的升高促进了烧结体的致密化,烧结体的密度随烧结温度的升高而增大;烧结体的密度随Al/BN反应原料配比减小而减小。烧结温度、反应原料配比等对原位合成AlN增强BN复合材料的性能有显著的影响。原料配比不变,提高烧结温度,烧结体的线膨胀系数减小,烧结体的硬度、抗弯强度值、断裂韧性值及热导率增大,而介电常数及介电损耗的减小。烧结温度不变时,Al/BN反应原料配比减小,烧结体的硬度、抗弯强度值、断裂韧性值及热导率减小。 采用热压法制备AlN增强BN复合材料,烧结温度1800℃、保温时间2h,Al/BN=1时,热导率为69.4w/m·k,介电常数为15.12;Al/BN减小至0.6时,介电常数为10.35。采用SPS方法制备AlN增强BN复合材料,当烧结温度1700℃、保温时间10min,Al/BN=1时,热导率为75w/m·k,介电常数为9.76;Al/BN减小至0.6时,介电常数为6.91。结果表明:采用SPS方法获得材料的热导率和介电性能均优于热压方法,
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