碳复合氮化硅陶瓷材料的制备与性能

nanotoday

氮化硅陶瓷用作微电子封装材料与其它陶瓷材料相比具有不可替代的优势，因作为一种很有潜力的大功率器件的散热和封装材料而广受关注。 本文的研究思路是，基于对氮化硅陶瓷制备工艺的了解，在优选合适的原料、烧结助剂、烧结工艺基础上，向氮化硅基质中引入高热导的碳基材料(碳纤维、碳纳米管、金刚石等)，期望在较低的烧结温度条件下，制备氮化硅基复合陶瓷材料，并研究其热学及力学性能。获得的主要研究结果如下： 1、以Y2O3为烧结助剂，采用热压烧结技术制备了Cf/Si3N4复合材料，其中碳纤维加入量为0、2和5 wt%。选用乙醇作分散剂，通过球磨工艺可有效分散短切碳纤维。采用XRD, SEM, EDS和TEM等手段，系统表征了所制备材料的物相组成、微观结构和界面特性，并测试了复合材料的热学及力学性能。研究结果表明：碳纤维在复合材料中分散均匀，且材料中的晶粒在垂直于热压压力的方向呈现一定取向排列。高温烧结过程中，碳纤维与Si3N4 或其表面的SiO2层发生反应，生成SiC中间层。适量碳纤维加入有助于提高复合材料的热导性能。当Cf加入量为2 wt%时，Cf/Si3N4的热导率较高，为45.8 W?m-1K-1；而不添加Cf的样品，其热导率为37.1 W?m-1K-1。加入Cf后, Cf/Si3N4的断裂韧性有小幅提高，维氏硬度在16.6~16.8GPa范围内变化。 2、通过超声分散制备CNTs悬浮液（重复三次，每次10分钟），再与原料粉混合，继而得到CNTs分散均匀的混合粉体，解决了CNTs在原料粉中分散的问题。采用MgO+Y2O3复合烧结助剂，在1600~1750 oC、30MPpa轴向压力、氮气氛围下，热压烧结0.5h，制备了系列CNTs/ Si3N4复合材料（SNYM-CNT）。研究发现：经1750 oC烧结，复合材料中的α-Si3N4相完全转变为?-Si3N4相；在此烧结温度下，CNTs中的C与基体发生反应，材料中有明显SiC相生成。而在较低烧结温度下制备的复合材料中没有明显的SiC相，但在烧结致密化过程中、α-Si3N4??-Si3N4相变过程不完全。CNTs虽然在粉体中分散性较好，但在热压烧结过程中，再次团簇，聚集在氮化硅晶界处。这些均不利于氮化硅陶瓷热导率的提高，最终导致SNYM-CNT复合材料热导性能改善不理想。 3、采用热压烧结，以α-Si3N4为原料， 5 wt% β-Si3N4为种晶，选用5wt%Y2O3和3 wt% MgO复合烧结助剂，复合20 wt% 金刚石颗粒，在1600~1750oC温度范围、30MPa机械压力、氮气氛围中，保温30min，制备出含金刚石20wt%的SNYM-MDM（单晶金刚石颗粒） 和SNYM-PDM（多晶金刚石颗粒）复合材料。研究发现：随着烧结温度的升高，复合材料中金刚石石墨化程度增加，特别是在1640 oC之后，金刚石迅速石墨化，样品尺寸明显膨胀。石墨化后的金刚石体积膨胀，结构变疏松，硬度降低，与Si3N4晶粒间结合力降低。单晶金刚石颗粒（MDM）高温稳定性优于多晶金刚石颗粒（PDM）。制备过程中，金刚石颗粒的引入也影响到氮化硅致密化过程和α→β相变过程。而金刚石石墨化程度、α→β相变量、材料致密度都会影响Diamond/Si3N4复合材料最终的热学性能。高导热相金刚石的引入，可提高Diamond/Si3N4复合材料热导率，金刚石的加入量从0 wt%提高到20 wt%时，复合材料热导率从33.7 Wm-1K-1提高到40.16 Wm-1K-1。