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陶瓷材料是人類生活和生產(chǎn)中不可缺少的一種材料，陶瓷材料是天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成型和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，可用作結(jié)構(gòu)材料、功能材料。

氮化鋁陶瓷（AlN）

隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等新能源行業(yè)的應(yīng)用中占據(jù)日益重要的地位。半導(dǎo)體器件的功率和頻率更高，集成規(guī)模也越來(lái)越大。與傳統(tǒng)的樹脂基片材料相比，氮化鋁（AlN）陶瓷材料具有較大溫度范圍內(nèi)使用無(wú)異常、導(dǎo)熱系數(shù)高、硬度大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體器件的最佳材料。AlN陶瓷材料可應(yīng)用到封裝體中以擴(kuò)散熱量，降低器件的工作溫度，提高封裝體的使用性能和穩(wěn)定性。AlN是一種具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V族強(qiáng)共價(jià)化合物，其結(jié)構(gòu)單位為[AlN4]四面體，即晶包中每個(gè)Al原子被4個(gè)N原子包圍，其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1：AlN晶體結(jié)構(gòu)

AlN熔點(diǎn)高，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，因此，純凈的AlN粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)致密，而致密度不高的材料很難具有高的熱導(dǎo)率。因此，要制備高熱導(dǎo)率的AlN陶瓷，在燒結(jié)工藝中，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是提高材料致密度，二是盡量避免氧原子熔入AlN晶格中。最常見的AlN粉體燒結(jié)方式是無(wú)壓燒結(jié)。它是指正常壓力下，具有一定形狀的陶瓷素坯在高溫下經(jīng)過(guò)物理化學(xué)變化過(guò)程變?yōu)橹旅?、?jiān)硬、體積穩(wěn)定的、具有一定性能的燒結(jié)體過(guò)程。因此，陶瓷材料的燒結(jié)工藝直接影響陶瓷產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸與分布、氣孔率等參數(shù)進(jìn)而影響陶瓷產(chǎn)品的使用性能。

隨著納米材料的興起，其較強(qiáng)的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)使得晶粒的表面能增加，燒結(jié)活性增強(qiáng)，從而可以顯著提高燒結(jié)速度，使微觀結(jié)構(gòu)均勻一致，極大改善材料的性能。比如摻入微量的Y2O3，在燒結(jié)過(guò)程中，可以有效地降低納米粉體的晶粒尺寸，并能改善粉末的分散度，降低燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)速度，還可實(shí)現(xiàn)材料的近全致密化。

圖2： 燒結(jié)助劑Y2O3粉體的微觀結(jié)構(gòu)，（上）二次球結(jié)構(gòu)，（下）一次顆粒的微觀結(jié)構(gòu)

圖2為 Y2O3粉體的微觀結(jié)構(gòu)，其是由大量的一次顆粒組成的類球形結(jié)構(gòu)，一次顆粒之間存在較大氣孔，致密度較低，經(jīng)高倍放大后，觀察到一次顆粒的表面存在許多燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的生長(zhǎng)臺(tái)階。

圖3：燒結(jié)成型的AlN陶瓷微觀結(jié)構(gòu)（其中白色顆粒為燒結(jié)助劑Y2O3）

圖3為添加燒結(jié)助劑Y2O3燒結(jié)后的AlN陶瓷瓷片，晶粒堆積緊密，致密度較高，但晶粒的尺寸分布不均，Y2O3顆粒充分填充于AlN晶粒之間，提高了陶瓷的致密度，從而進(jìn)一步改善其熱導(dǎo)性能。

鈦酸鍶陶瓷（SrTiO3）

鈦酸鍶（SrTiO3）陶瓷介電損耗小，熱穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)良的電子陶瓷材料，廣泛應(yīng)用與高壓電容器、晶界層電容器、壓敏電阻、熱敏電阻等電子元件，具有高性能、高可靠性、體積小等優(yōu)點(diǎn)。SrTiO3電子陶瓷一般是以固相法合成，經(jīng)燒結(jié)成型后所得，因此燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)具有顯著影響，如燒結(jié)溫度對(duì)晶粒尺寸、相組成、氣孔的形貌和數(shù)量等，進(jìn)一步影響材料的介電性能。過(guò)高的溫度使陶瓷晶粒過(guò)大、致密性差，還會(huì)促進(jìn)二次結(jié)晶，材料的強(qiáng)度等性能降低，溫度較低則導(dǎo)致晶粒發(fā)育不完全。

圖4：鈦酸鍶陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)

圖4中的SrTiO3陶瓷晶粒取向通過(guò)掃描電鏡的背散射探測(cè)器清晰呈現(xiàn)出來(lái)，晶粒之間沒(méi)有較大的氣孔存在，并且表面生長(zhǎng)的臺(tái)階清晰可見。

氧化鋁陶瓷（Al2O3）

應(yīng)用到新能源行業(yè)的另一類陶瓷是氧化鋁（Al2O3）陶瓷，Al2O3是一種無(wú)機(jī)氧化物，也是一種惰性材料。作為陶瓷涂層涂覆到鋰電池中的隔膜上，可以起到耐高溫、絕緣的作用，防止隔膜因電池內(nèi)部溫度過(guò)高熔化而導(dǎo)致的短路，避免可能因此發(fā)生的火災(zāi)爆炸。隔膜表面的Al2O3陶瓷涂層以及截面的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示，陶瓷顆粒之間并未緊密堆積，而是形成，分布均勻的微孔結(jié)構(gòu)，對(duì)鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移起到促進(jìn)作用，同時(shí)在負(fù)極材料與隔膜之間形成一道屏障，防止鋰枝晶穿透隔膜導(dǎo)致的內(nèi)部短路問(wèn)題。

圖5：隔膜的Al2O3陶瓷涂覆層微觀結(jié)構(gòu)以及截面結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

賽默飛超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apreo 2

參考文獻(xiàn)：

1、宋志健,劉世凱,黃威,徐天兵,陳穎鑫,孫亞光。氮化鋁陶瓷的制備及研究進(jìn)展[J]。材料科學(xué),2021,11(7): 848-854。

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