中国粉体网讯 氮化铝具有热导率高、高温绝缘性和介电性能好、高温下材料强度大、热膨胀系数低并且与半导体硅材料相匹配、无毒等优点，具有良好的热学、电学和机械等性能，是理想的陶瓷基板和电子封装散热材料。
氮化铝陶瓷的核心和关键性能指标是高热导率，尽管理论上氮化铝热导率可达到320W/(m·K)，但由于氮化铝中的杂质和缺陷造成实际产品的热导率还不到200W/(m·K)，因此提高氮化铝的热导率非常重要。
影响氮化铝陶瓷热导率的因素
影响氮化铝陶瓷热导率的主要因素有晶格的氧含量、致密度、显微结构、粉体纯度等。
氧含量及杂质
对于氮化铝陶瓷来说，由于它对氧的亲和作用强烈，氧杂质易于在烧结过程中扩散进入AlN晶格，与多种缺陷直接相关，是影响氮化铝热导率的最主要根源。在声子-缺陷的散射中，起主要作用的是杂质氧和氧化铝的存在，由于氮化铝易于水解和氧化，表面形成一层氧化铝膜，氧化铝溶入氮化铝晶格中产生铝空位。使得氮化铝晶格出现非谐性，影响声子散射，从而使氮化铝陶瓷热导率急剧降低。
致密度
根据氮化铝的热传导性能，低致密度的样品存在的大量气孔，会影响声子的散射，降低其平均自由程，进而降低氮化铝陶瓷的热导率。同时，低致密度的样品其机械性能也可能达不到相关应用要求。因此，高致密度是氮化铝陶瓷具有高热导率的前提。
显微结构
氮化铝陶瓷的显微组织结构与其热力学性能有着一一对应，显微结构包括晶粒尺寸、形貌和晶界第二相的含量及分布等。实际的氮化铝陶瓷为多相组成的多晶体，它主要由氮化铝晶相、铝酸盐第二相（晶界相）以及气孔等缺陷组成。除了对氮化铝的晶格缺陷进行研究外，许多人还对氮化铝的晶粒、晶界形貌、晶界相的组成、性质、含量、分布、以及它们与热导率的关系进行了广泛研究，一般认为铝酸盐第二相的分布对热导率的影响最为重要。
提高氮化铝陶瓷热导率的途径
提高氮化铝粉末的纯度
理想的氮化铝粉料应含适量的氧。除氧以外，其他杂质元素如Si、Mn和Fe等，也能进入氮化铝晶格，造成缺陷，降低氮化铝的热导率。杂质进入晶格后，使晶格发生局部畸变，由此产生应力作用，引起位错、层错等缺陷，增大声子散射，故应该提高氮化铝的粉末的纯度。
改进氮化铝粉末合成方法，制备出粒径在1μm以下，含氧量1%的高纯粉末，是制备高导热氮化铝陶瓷的前提。此外，对含烧结助剂的氮化铝粉末，引入适量的碳，在制备氮化铝陶瓷的烧结过程中，于致密化之前，先对氮化铝粉末表面的氧化物进行还原碳化，也能使氮化铝陶瓷的热导率提高。
加入适当的烧结助剂
引入添加剂主要有两方面的作用：（1）促进氮化铝陶瓷致密化。氮化铝是共价化合物，具有熔点高、自扩散系数小的特点，一般难以烧结致密，使用添加剂可以在较低温度产生液相，润湿晶粒，从而达到致密化。（2）净化晶格。氮化铝低氧有很强的亲和力，晶格中经常固溶了氧，产生铝空位，降低了声子的平均自由程，热导率也因此降低。合适的添加剂可以有效与晶格中氧反应生成第二相，净化晶格，提高热导率。
大量的研究表明，稀土金属氧化物和氟化物、碱土金属氧化物和氟化物等均可以作为助烧剂提高氮化铝的热导率。但添加剂的量应适当，过多会增加杂质含量，从而影响热导率；过少又起不到烧结助剂的作用。复合助剂比单一的添加剂能更有效的提高热导率，同时还能降低烧结温度。
选择合适的烧结工艺
致密度对氮化铝陶瓷的热导率有重要影响，致密度较低的氮化铝陶瓷很难有较高的热导率，因此必须选择合适的烧结工艺实现氮化铝陶瓷的致密化。
常压烧结：常压烧结的烧结温度通常为1600℃至2000℃，当添加了Y2O3烧结助剂后，氮化铝粉会产生液相烧结，烧结温度一般在1700℃至1900℃，特别是1800℃最常用，保温时间为2h。烧结温度还要受到氮化铝粉粒度、添加剂含量及种类等的影响。热压温度相对能低一些，一般是在1500℃至1700℃，保温时间为0.5h，施加的压力为20MPa左右。在1500℃至1800℃范围内，提高氮化铝烧结温度通常会显著提高氮化铝烧结体的导热率和致密度，特别是在常压烧结时，这种影响更为显著。
热压烧结：热压烧结是指在机械压力和温度同时作用下，对粉料进行烧结获得致密块体的过程。热压烧结可以使加热烧结和加压成型同时进行。在高温下坯体持续受到压力作用，粉末原料处于热塑性状态，有利于物质的扩散和流动，并且外加压力抵消了形变阻力，促进了粉末颗粒之间的接触。热压烧结可以降低氮化铝陶瓷的烧结温度，而且不用烧结助剂也能使氮化铝烧结致密，且除氧能力强，但是缺点是设备昂贵，而且只能制备形状简单的样品。
微波烧结：微波烧结是利用微波与介质的相互作用产生介电损耗使坯体整体加热的烧结方法。同时，微波可以使粉末颗粒活性提高，有利于物质的传递。微波烧结已成为一门新型的陶瓷烧结技术，它利用整体性自身加热，使材料加热的效率提高，升温速度加快，保温时间缩短，这有利于提高致密化速度并可以有效抑制晶粒生长，获得独特的性能和结构。
放电等离子烧结：放电等离子烧结系统利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬间高温场来实现烧结过程。SPS升温速度快、烧结时间短、能在较低温度下烧结，通过控制烧结组分与工艺能实现温度梯度场，可用于烧结梯度材料及大型工件等复杂材料。放电等离子烧结内每个颗粒均匀的自身发热使颗粒表现活化，因而具有很高的热导率，可在短时间内使烧结体致密化。
热处理
热处理是氮化铝陶瓷调整结构、改善性能的重要措施，最主要的作用是减少晶界第二相，从而提高热导率。Sang-Kee Lee等采用长时间烧结的方法制备消除晶界相的氮化铝陶瓷，在还原性N2气氛下以Y2O3为添加剂1900℃℃烧结100ｈ，致密和抛光表面的热导率为219-318W/(m·K)。
参考资料：
袁文杰、李晓云等.高导热氮化铝陶瓷的研究进展
燕东明、高晓菊等.高热导率氮化铝陶瓷研究进展
何庆.纳米氮化铝粉末的制备、烧结及性能研究
杨清华.低温烧结高热导氮化铝陶瓷及其热传导性能研究
鲁慧峰.氮化铝粉末制备及注射成型研究
陈淑文.AlN粉体的合成与烧结机制研究
（中国粉体网编辑整理/初末）
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