【正文】 2和 YF 3作為添加劑時，得到熱導(dǎo)率高于170W/m*K的氮化鋁陶瓷。然后，根據(jù)他們的研究，尚且不能明確YF3對于熱導(dǎo)率的影響。在本文中，CaF 2 ,YF 3 和 Y 2 O 3將被用作燒結(jié)助劑來探索YF3對于氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的影響。在本研究中使用的氮化鋁粉體是商業(yè)AlN粉末（H型，岡山，日本）.%。A1N粉末與CaF2，YF 3和Y2O3（分析試劑）用乙醇作為介質(zhì)混合均勻,然后通過行星式球磨2小時。隨后將球磨后的粉料置于烘箱內(nèi)烘干。將干燥的粉末與聚乙烯醇縮丁醛（PVB）粘結(jié)劑混合，單軸加壓成型為直徑在10毫米和5毫米厚的圓柱體素坯。將將坯體在5500℃脫蠟，然后放入BN坩堝中并在石墨爐用流動氮氣氣氛中在1350℃，1500℃，1650℃和1750℃燒結(jié)不同的時間。試樣的組成如表1。表1：在實驗中的不同組合物的樣品用游標卡尺測量樣品燒結(jié)后的直徑，從而得出樣品的收縮率。在1750℃下燒結(jié)4小時的樣品CYFA和CYOA的密度是通過阿基米德排水法用蒸餾水作為浸沒介質(zhì)來測定的。利用X射線衍射與CuKα輻射對燒結(jié)后的A1N樣品第二相進行鑒定。用掃描電子顯微鏡(SEM，OPTON，CSM950) 對樣品斷口顯微觀察。在室溫下的熱傳導(dǎo)率通過激光閃光法測定。對燒結(jié)溫度為1750℃176。/min的速度在90176。140176。的范圍進行掃描，從而確定了其晶格參數(shù)。 表2 。當(dāng)燒成溫度從1350℃增加至1650℃時YFA樣品中的第二相的化學(xué)組成中的順序發(fā)生改變YOF→Y3Al5O12(YAG)→Y4A12O9(YAM)→YN。這類似于Hundere等人所取得的成果。然而，Y2O3成為YF3和A12O3之間反應(yīng)的中間產(chǎn)物似乎是不可能的，就如同Hundere等人推測在樣品YFA在1500℃之前隨著釔鋁酸鹽的生成不會發(fā)現(xiàn)Y2O3。YF3應(yīng)該與A12O3反應(yīng)，形成YOF（四方）和AlF3，如下所示： 3YF3(1)+A1203(s)=3YOF(s)+2 AlF3(g) （1）表2：在樣品CYFA中，(Ca,Y)F2和Ca12Al14O32F2在1350℃形成。但樣品CYFA和YFA相比在1650℃以下有更大的收縮。這是因為液相(Ca,Y)F2和鋁酸鈣的形成促進樣品CYFA在溫度低于1650℃時的致密化。隨著溫度的升高，YF3大致是從(Ca,Y)F2和與A12O3反應(yīng)生成YAP和YAM的反應(yīng)中釋放的，這些在1500℃時可以被檢測出來，如表2。在加熱到1650℃后，釔鋁酸鹽在有氮氣氣氛的石墨爐中轉(zhuǎn)變成Y2O3。 樣品CYFA和CYOA在1750℃燒結(jié)4小時達到完全致密化， g/cm3的密度。然而，樣品CYFA的熱傳導(dǎo)率為180 W/mK，這是比樣品CYOA的152W/mK高得多。樣品CYFA和CYOA在1750℃燒結(jié)4小時的X射線圖譜如圖1。它可以從這個圖中可以看出，在兩個樣本中有類似的相組成包括YAM，CaYAlO4和Y2O3。由于到他們相似的密度，液相CaYAl04促進樣品CYFA在1750℃的致密化。圖1：樣品CYFA（a）和CYOA（b）的X射線衍射圖譜（+YAM，AlN，＃Y2O3，c CaYAlO4）圖2顯示出了樣品CYFA和CYOA在1750℃燒結(jié)4小時的斷裂面的形態(tài)。如該圖所示，顆粒在兩個樣本中有緊密接觸，這證明了燒結(jié)體高的致密性。然而，多面體顆粒在樣品CYFA中生長均勻，這和樣品CYOA中不規(guī)則顆粒形狀不同。加入YF3與加入Y2O3相比明顯改善了在燒結(jié)時晶粒生長對致密度的影響。 圖2：在1750℃燒結(jié)4小時的不同樣品斷裂面形貌；（a）CYFA，（b）CYOA在一般情況下，致密度，晶界相和A1N晶格氧含量對AlN陶瓷的熱導(dǎo)率起著重要作用。由于這兩種樣品CYFA和CYOA在1750℃的燒成溫度下具有高的密度，致密度并不是導(dǎo)致兩個樣品的不同熱導(dǎo)率主要的原因。Kurokawa等人發(fā)現(xiàn)了一系列含Ca的燒結(jié)助劑燒結(jié)的AlN陶瓷樣品的熱導(dǎo)率和氧濃度之間的關(guān)系。燒結(jié)體中的實測氧含量強烈反映了A1N晶格中的氧含量，因為所有第二相是燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程中蒸發(fā)所產(chǎn)生的。當(dāng)沒有晶界相時熱傳導(dǎo)率主要由在A1N晶格中的氧含量控制。因此，晶界相對熱傳導(dǎo)率的影響可間接通過測量燒結(jié)體的A1N晶格中的A1N晶胞體積和氧含量得出。樣品CYFA和CYOA在1750℃燒結(jié)4小時的晶胞體積的測量表明。根據(jù)熱導(dǎo)率和A1N細胞體積之間的關(guān)系，如圖3所示，可以看出，樣品CYFA和CYOA的熱傳導(dǎo)率與多項式擬合曲線具有良好的一致性。這意味著，晶界相對熱導(dǎo)率沒有顯著的影響。圖3：通過X射線衍射測量來確定的A1N晶胞的體積關(guān)于熱導(dǎo)率的函數(shù)。該曲線是通過Kurokawa等人發(fā)表的數(shù)據(jù)的多項式擬合得出的。 氧在A1N陶瓷的燒結(jié)過程中在1400℃和1800℃之間的溫度下，覆蓋在A1N粉末的表面，擴散到A1N晶格，形成與氧有關(guān)的缺陷。在低氧氣水平，由于Al空位的形成，A1N晶胞體積會隨著氧濃度的增大而降低。然而，在富氧情況下，較高的氧氣濃度也會產(chǎn)生較大的晶胞體積，這和Harris等人的總結(jié)類似。由A1N晶胞體積歸一化的變化作出氧濃度的函數(shù)，.％。因此，樣本CYFA與CYOA相比有更高的熱導(dǎo)率主要是由于晶格中較低的氧濃度。在這里提出一個可能的機制來探討為什么樣品CYFA在燒成工藝的相變過程中有較低的氧氣濃度的原因。在摻雜Y2O3的A1N陶瓷的燒結(jié)中，Y2O3和A1N晶粒中的氧之間的反應(yīng)對減少在A1N晶格最后的氧濃度是很必要的。同時添加CaF2和Y2O3，由于固相Y2O3和A12O3之間的反應(yīng)和非均勻液相的分布，氧難以與Y2O3在1650℃之前完全反應(yīng)形成穩(wěn)定釔鋁酸鹽，這使氧有機會進入A1N晶格，形成氧有關(guān)的缺陷從而降低了AlN陶瓷的熱導(dǎo)率。然而，在CaF2YF 3系統(tǒng)中，(Ca,Y)F2相根據(jù)相圖在相對低的1350℃生成，并在高于1400℃是變?yōu)橐合?。液?Ca,Y)F2的流動和再分配，使YF3具有足夠的機會接觸A1N顆粒表面上的氧氣并與它起反應(yīng)，這可以在溫度高于1400℃時限制氧從A1N顆粒的表面擴散到A1N晶格。如圖1所示，樣品CYFA在1750℃燒結(jié)4小時后，剩余的Y2O3也意味著A1N顆粒的氧完全消除，因為在第二階段的所有的氧氣來自于原始的AlN顆粒的表面。此外，由于沒有額外的CaF2和YF 3，其中具有低活性的YAM相在CYFA樣品的燒結(jié)過程中容易形成。這是由于A1N晶格在1750℃時除去了氧。因此，樣品CYFA中A1N晶格中的氧濃度與CYOA相比是比較低的。 使用CaF2和YF 3，能得到高致密且熱導(dǎo)率達到180W/mK的AlN陶瓷。液相(Ca,Y)F2和Ca12Al14O32F2的生成，在1650℃之前是影響AlN陶瓷致密度的主要原因。同時，在1750℃時的致密度是由液相CaYAlO4改善的。與添加了CaF2和Y2O3的樣品相比，添加了CaF2和YF 3的樣品的晶界相對A1N陶瓷的熱導(dǎo)率的影響沒有顯著的效果。在A1N晶格中的氧濃度是AlN陶瓷的熱導(dǎo)率的差異的主要控制因素。同時添加CaF2和YF 3，由于在相對低的溫度下液相(Ca,Y)F2的形成減少了燒結(jié)的樣品中的A1N晶格中的氧含量，因而有利于得到高的熱傳導(dǎo)率。 致謝這項工作得到了廣東省新功能陶瓷材料研究開發(fā)中心的支持。參考文獻[1] . Slack, Nonmetallic crystals with high thermal conductivity,J. Phys. Chem. Solids 34 (1973) 321335.[2] . Sheppard, Aluminum nitride: a versatile but challenging material, Am. Ceram. Bull. 69 (11) (1990) 18011803.[3] K. Komeya, H. moue, A. Tsuge, Role of Y2O3 and SiO2 addidons in sintering of A1N, J. Am. Ceram. Soc. 54 (1974) 41112.[4] K. Komeya, A. Tsuge, A. moue, Effect of CaCO3 addition on the sintering of A1N, J. Mater. Sci. Lett. 1 (1986) 325326.[5] . Hundere, . Einarsrud, Effects of reduction of the AlYO containing secondary phases during sintering of A1N with YF3 additions, J Eur. Ceram. Soc. 16 (1996) 899906.[6] Y. Liu, H. Zhou, L. Qiao, Y. Wu, Lowtemperature sintering of aluminum nitride with YF3CaF2 binary additive, J. Mater. . 18 (1999) 703704.[7] J. Jarrige, K. Bouzouita, C. Doradoux, M. Billy, A new method for fabrication of dense aluminium nitride bodies at a temperature as low as 1600℃, J. Eur. Ceram. Soc. 12 (1993) 279285.[8] L. Qiao, H. Zhou, H. Xue, S. Wang, Effect of Y2O3 on low temperature sintering and thermal conductivity of A1N ceramics,J. Eur. Ceram. Soc. 23 (2003) 6167.[9] Y. Kurokawa, K. Utsumi, H. Takamizawa, Development and microstructural characterization of highthermalconductivity aluminum nitride ceramics, J. Am. Ceram. Soc. 71 (1988) 588594.[10] K. Watari, . Brito, M. Yasuoka, . Valecillos, S. Kanzaki,Influence of powder characteristics on sintering process and thermalconductivity of aluminum nitride ceramics, J. . Jpn. 103 (1995) 891900.[11] . Harris, . Youngman, . Teller, On the nature of the oxygenrelated defect in aluminum nitride, J. Mater. Res. 5 (8)(1990)17631773.[12] . Jackson, . Virkar, . More, . Dinwiddie,. Cutler, Highthermalconductivity aluminum nitride ceramics: the effect of thermodynamic, kinetic, and microstructural factors, J. Am. Ceram. Soc. 80 (6) (1997) 14211435.[13] . Roth, T. Negas, , Phase Diagrams for Ceramists(V), Acers, Columbus, 1983.英文原文Thermal conductivity of AlN ceramics sintered with CaF2 and YF3Liang Qiao, Heping Zhou, Renli FuAbstractDense A1N ceramics with a thermal conductivity of 180W/m?K were obtained at the sintering temperature of 1750℃ using CaF2 and YF3 as additives. At temperatures below 1650℃, the shrinkage of A1N ceramics is promoted by liquid (Ca,Y)F2 and Ca12A114O32F2. Liquid CaYAlO4 mainly improves the densification of the sample when the sintering temperature increases to 1750℃. The formation of liquid (Ca,Y)F2 at a relatively low temperature results in homogeneous YF3 distribution around the A1N particles, which benefits the removal of oxygen impurity in the A1N lattice, and thus a higher thermal conductivity.Keywords: A. Sintering。 B. Microstructurefinal。 C. Thermal conductivity。 Aluminum nitrideAluminum nitride is a promising substrate and package material for