添加Mg2Si烧结高导热氮化硅陶瓷开题报告

全文总字数：6422字

1. 研究目的与意义（文献综述）

氮化硅具有高强度、高韧性、高热导率、高热抗震性、耐磨损、耐腐蚀、无毒等优良性能，在航空航天、机械化工、海洋工程、装甲防护、人体植入材料等具有良好应用。氮化硅有三个不同的结构ɑ-si₃n₄、β-si₃n₄ 和γ-si₃n₄。1995年，haggerty等人经过理论计算，预测β-si₃n₄的热导性最高可达320w*m¹*k^-1，可以和ain陶瓷的理论热导率相媲美。并且在相同的散热量下，氮化硅陶瓷具有更高的强度和抗氧化性，因此在大规模集成电路基板和电子封装材料方向有广阔的应用前景。传统的氮化硅陶瓷热导率只有15-30w*m^－1*k^-1，与理论值320w*m^－1*k^-1相比还有极大的提升空间，因此通过添加不同的烧结助剂来制备高热导率的氮化硅陶瓷是一大研究热门。陶瓷晶体材料中是通过晶格振动和格波进行热传递的。由于晶格波震动能量的量子化，称为声子。声子在结构基本单元的相互制约和协调振动中实现热传递。由于晶格中晶格氧、密度、显微结构、杂质元素、点缺陷、线缺陷、面缺陷等晶格缺陷的影响，使声子在传递过程中发生偏转和散射，从而使材料的热导率降低。同时，氮化硅陶瓷表面的晶界玻璃相热导率只有0.1-1w*m^－1*k^-1，对氮化硅陶瓷的导热率有较大影响。此外，向si₃n₄原料中引入尺寸较大的β-si₃n4₄晶种,可促进烧结过程中细小颗粒迅速溶解沉淀于β-si₃n₄晶种上,提高晶粒生长的驱动力,促进β-si₃n₄晶粒的生长 ,而晶粒的生长有利于晶界相逐渐排挤进入多晶交界处,减少晶界相在晶格中分布 ,从而提高热导率。hirosaki n等采用添加0.5wt%的β-si3n4 晶粒作为晶种,在1900℃烧结4h的条件下制备出热导率为106w*m^－1*k^-1的β-si3n4 陶瓷,而相同条件下没有添加晶种的β-si3n4 陶瓷的热导率只有77 w*m^－1*k^－1。因此，在制备高导热氮化硅陶瓷过程中减少晶格氧含量和晶界玻璃相，促进β-si₃n₄晶粒充分生长，才能有效提高其热导率。

要制备高热导率的氮化硅陶瓷，就要选择合适的烧结助剂和烧结工艺。目前国内外对氮化硅热导率的研究中使用的制备方法主要有以下几种:①反应烧结（gps），通过氮气加压（<20mpa）抑制β-si₃n₄在高温下的分解，且一般需要在1850^oc以上温度下保温20h以上，能耗高，且对设备条件有极高的要求。yokota h等以yb₂o₃-zro₂作烧结助剂，反应烧结工艺，在1900^oc,0.9mpa的氮气保护下烧结36h,再在1700^oc、0.9mpa氮气中热处理100h,得到热导率为150w*m^－1*k^－1的氮化硅陶瓷。②反应烧结重烧结（srbsn），在硅粉中加入烧结助剂后在较低温度下进行反应烧结，得到的产品再在高温下重新烧结。反应烧结过程可以进行预加工，产品收缩率小，但仍需要在高温条件下进行长时间的保温，能耗和成本高，多次不同条件下的烧结使工艺复杂，制备周期长。zhu x w等采用高洁硅粉与烧结助剂y₂o₃-mg-sin₂或y₂o₃-mgo混合后,用反应烧结重烧结工艺，在1400℃保温8h进行氮化,然后再在 1900℃、1mpa氮气条件下热处理24h,得到热导率约为133w*m^－1*k^－1的β-si₃n₄陶瓷③热等静压烧结（hip），高温条件下在100－200mpa的氮气或氩气氛围下对坯体进行烧结排队气孔，使坯体更加致密，促进晶粒生长，提高热导率。该工艺使用少量烧结助剂或不使用烧结助剂，但能耗和成本高且工序复杂。watari k 等在2500℃的高温及200mpa的氮气保护下对先流延成型后热压烧结致密的β-si₃n₄陶瓷热处理2h得到热导率为155w*m^－1*k^－1④热压烧结，在氮气保护氛围中对原料施加15－40mpa的单向机械压力并进行烧结。该法只能用于制造形状简单的制品。梁振华等1900℃,0.8mpa氮气压力条件下烧结1h，热处理4h制备得到热导率为122w*m^－1*k^－1的氮化硅陶瓷。⑤放电等离子体烧结（sps），依靠脉冲电流对坯体进行加热，由于sps设备中缺少绝热装置，因此可以实现对坯体的急速升温和降温，该法烧结温度较低，能耗少，操作简单，制备周期短，但目前sps烧结的研究较少，其作用机理没有定论，实用性较低。huiming xiang等人预测γ-si₃n₄可能具有更高的热导率，但由于γ-si₃n₄目前只有在高温高压下才能制得，还未具有实际应用价值。

目前通过一定的技术手段已经能够制备得到高热导率的氮化硅陶瓷。xinwen zhu等通过磁场定向制备出热导率达176w*m^－1*k^-1的氮化硅陶瓷，zhou等人以y₂o₃和mgo作烧结剂，采用反应重烧结技术制得热导率可达177w*m^－1*k^-1 的氮化硅陶瓷。以上方法虽然都能制备得到高热导率的氮化硅陶瓷，但尚有诸多问题没有解决。主要包括：

2. 研究的基本内容与方案

①研究烧结助剂的成分和添加量对氮化硅微观结构和性能的影响。以mg₂si作烧结助剂，设置烧结助剂添加量梯度，并对氮化硅的微观结构的性能进行表征，研究当烧结助剂添加量不同时对氮化硅的物相组成、烧结过程、晶粒尺寸和形貌的影响，分析影响热导率的主要因素。

②研究在较低烧结工艺参数对氮化硅陶瓷微观结构和性能的影响。设置较低的温度对氮化硅陶瓷进行烧结，分析在此条件下氮化硅陶瓷物相组成和晶粒生长情况，研究氮化硅陶瓷的致密化过程和机理，找到更多影响氮化硅陶瓷热导率的因素。

③研究热处理工艺（温度、时间）对氮化硅陶瓷微观结构和性能的影响。选择合适的方式并研究热处理工艺参数对氮化硅组织性能的影响，为进一步提高氮化硅陶瓷的热导率提供参考。

3. 研究计划与安排

1－3周：查阅相关文献资料，并完成英文文献翻译。通过查阅文献了解选题和社会、健康、安全、成本以及环境的关系，明确研究内容，所需原料、仪器和设备，确定技术方案，完成开题报告。

4－7周：按照研究技术方案制备氮化硅陶瓷。

8－12周：采用sem、xrd、材料试验机、激光热导仪等测试手段对样品的结构，力学性能和热导率进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王再义、李伶、邓斌等.氮化硅人体植入材料研究进展[j]现代技术陶瓷 2019,40(3):135-150.

[2]haggerty j s, lightfoot a .opportunities for enhancing the thermal conductivities o f sic and si₃n₄ ceramics throug him-proved processing[j] .ceram eng sci proc, 1995(16):475

[3]watari k, hirao k, brito m e, et al.hotiso static pressing to increase thermal conductivity of si₃n₄ ceramics[ j] .j ma- ter res,1999,14(4) :1538