《高導熱氮化矽晶粒原位自形生長調控及緻密化堆積研究》是依託清華大學，由寧曉山擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高導熱氮化矽晶粒原位自形生長調控及緻密化堆積研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：寧曉山
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氮化矽陶瓷在導熱絕緣封裝材料領域也有其不可替代的地位。並且隨著氮化矽陶瓷熱導率的提高，其套用領域有望進一步拓展。由於氮化矽晶粒各向異性生長形成雜亂堆積的稜柱狀晶體，氮化矽陶瓷晶粒間的晶界相薄膜的厚度遠遠超過其平衡晶界層厚度，而已有理論計算和實驗表明該晶界相薄膜厚度對氮化矽陶瓷的熱導率有著巨大的影響。減小晶界相厚度需要控制原位自生氮化矽晶粒的形狀以及晶粒尺寸級配才能實現。本項目擬對β氮化矽原料粉在奧氏熟化過程中發生的晶粒形貌演變及其動力學進行系統研究，通過改變燒結助劑種類及配比、改善燒結及熱處理工藝等，控制氮化矽晶粒的各項異性生長，獲得長徑比較小的氮化矽晶粒。另外通過調整原料粉顆粒級配研究其對燒結及熱處理後晶粒分布的影響，通過原料粉的合理級配控制原位奧氏熟化後的晶粒的級配，改變晶界相厚度。在此基礎上開展晶界相厚度對氮化矽陶瓷熱導率的影響影響研究。
結題摘要
採用放電等離子燒結後高溫熱處理的方法研究了氮化矽原料粉晶型、燒結助劑添加量、稀土燒結助劑種類對氮化矽晶粒原位自形生長的影響，並探討了氮化矽陶瓷熱導率的影響因素，得到以下主要結果： 1 氮化矽可以看作複合材料，套用複合材料的串並聯模型進行計算。熱導率λ取決於氮化矽晶粒的體積分數V，以及氮化矽晶粒自身的熱導率λ_f和晶界相的熱導率λ_m,即： lgλ=〖(C〗_f lgλ_f-lgλ_m)V+lgλ_m 或者 λ=(〖λ_m)〗^(1-V) (〖λ_f〗^(C_f ) )^V 其中Cf為表征柱狀晶之間導熱的參數，可由實驗確定。 2 α→β相變可加快粉體的溶解-析出燒結，促進β-Si3N4晶粒的原位自形生長，形成高長徑比的異常生長柱狀晶。該柱狀晶在異常長大的的過程中推開相鄰的晶粒，導致晶粒間間隙增大，降低晶粒的堆垛密度，對導熱產生不良影響。而採用β-Si3N4原料粉可以抑制異常生長，提高堆垛密度，顯著改善熱導率。然而，由於原位自形生長的β-Si3N4柱狀晶在氮化矽陶瓷中起著自增韌作用，失去異常長大的柱狀晶會減小柱狀晶的平均長徑比，降低抗彎強度。 3、稀土元素的化合物負離子的電負性不同，則與溶於液相中的Si3N4元素的反應不同。反應會延遲Si3N4元素的擴散，從而影響氮化矽晶粒的原位自形生長以及晶粒的堆垛密度。與Si3N4的反應趨勢按照La2O3、LaF3、LaCl3的順序依次增強，柱狀晶的尺寸和長徑比則按照該順序依次減小，而氮化矽晶粒的堆垛密度則按照該順序依次增加。相應地，其熱導率也按照該順序依次增加。 該研究闡明了氮化矽陶瓷的微觀組織和熱導率的關係。明確了氮化矽陶瓷可以看作氮化矽晶粒和晶界相的複合材料，並推導出了氮化矽陶瓷熱導率計算的本構方程。還闡明了柱狀晶異常生長和氮化矽堆垛緻密度的關係，證明了可以通過選擇原料粉和稀土化合物種類調控氮化矽晶粒原位自形生長，提高堆垛密度。研究成果為進一步開展氮化矽陶瓷熱導率研究提供了新思路。
