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Si3N4作为一种力学性能优异的先进陶瓷材料,在航空航天、机械、化工领域有着广泛应用,同时因其具有可媲美于AlN陶瓷的高理论热导率,在大规模集成电路基板方面展现出广阔的应用前景。因此探索合适的工艺,制备出兼具高热导率与良好力学性能的Si3N4陶瓷,对于解决未来复杂环境下高集成电路的散热问题具有重要意义。本课题采用放电等离子体烧结(SPS)工艺制备致密Si3N4陶瓷,系统研究了烧结助剂与烧结工艺对Si3N4陶瓷的显微组织结构及导热性能的影响。研究了不同种类及含量的烧结助剂在烧结过程中的作用机理;对比分析了Si3N4陶瓷在不同工艺下的致密化、物相演变和晶粒生长规律,探究了各因素对Si3N4陶瓷热导率的影响机制;同时研究了热处理工艺对提升Si3N4陶瓷热导率的可行性,以此来优化Si3N4陶瓷的显微组织,改善材料的导热性能。研究发现,采用SPS工艺制备Si3N4陶瓷,相比于稀土氧化物Y2O3,采用非氧化物MgSiN2作为烧结助剂,可以降低烧结过程中液相的粘度,加速颗粒重排,能够在较低温度(1600℃)和较短时间(3min)内完成陶瓷的致密化,低的液相粘度与高的Si、N原子比有助于Si3N4的α→β相变和晶粒生长,提高Si3N4陶瓷的热导率;通过改变烧结助剂MgSiN2的添加量,研究其对Si3N4陶瓷致密化与微观组织结构的影响,发现MgSiN2的添加量为2wt%时即可实现陶瓷的致密化,在合理的范围内提高烧结助剂的添加量,产生充足的液相量有助于晶粒重排,加速致密化,借助晶粒生长的溶解-沉淀过程净化晶格,提高热导率,增多的晶间相集中分布于多晶交界处,对材料的热导率影响较小。采用MgSiN2作为烧结助剂,研究了烧结方式、SPS烧结温度与保温时间对Si3N4陶瓷显微组织结构和导热性能的影响规律。结果表明:相比于气压烧结工艺,SPS工艺的致密化驱动力增加,可以制备综合性能较好的致密Si3N4陶瓷;1400℃-1600℃为Si3N4的致密化阶段,升高SPS烧结温度,可以降低液相粘度,增大扩散激活能,促进相变与晶粒生长,提高材料的热导率,SPS/1800℃/5min可制得热导率60.11W/m/K,弯曲强度931MPa,断裂韧性9.18MPa·m1/2的β-Si3N4陶瓷;延长SPS烧结保温时间对Si3N4陶瓷的显微组织与导热性能的改善作用较小。分别采用SPS烧结工艺与气压烧结工艺对Si3N4陶瓷进行后续热处理,研究了不同热处理工艺对材料微观组织结构和热导率的影响,结果表明SPS热处理对Si3N4的显微组织与热导率改善甚微;气压热处理未完全相变的致密Si3N4陶瓷,基体中少量β相可以作为晶种促进β-Si3N4在热处理过程中迅速生长,显著提高热导率;由于热处理过程中晶间相的挥发,导致Si3N4陶瓷的致密度降低,削弱了热处理中晶粒长大对热导率带来的积极影响。