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1、AlN陶瓷因具有高的热导率(室温下理论热导率为319W/(m·K))、低的介电常数(25℃为8.8MHz)、与Si相匹配的热膨胀系数(20～400℃时为4.3×10-6/℃)、良好的绝缘性(25℃时电阻率大于1014Ω·cm)然而,AlN陶瓷属于共价化合物,自扩散系数很小(小于10-13cm2/s),难于烧结致密,且杂质等各种缺陷的存在对其热导率亦有很大的损害。导热机理在AlN陶瓷材料中,热量是由晶格振动的格波来传递的。根据量子理论,晶格振动的能量是量子化的,这种量子化的能量被称为声子。格波在晶体中传播时遇到的散射可被看作是声子与质点的碰撞,而理想
2、晶体中的热阻可归结为声子与声子之间的碰撞,由此Debye首先引入声子的概念来解释陶瓷的热传导现象,并得出类似气体热传导的公式:式中：λ为陶瓷的热导率,c为陶瓷的体积热容,v为声子的平均速度,l为声子的平均自由程。由此可知,热导率与声子的平均自由程成正比。理想的AlN陶瓷烧结体热导率主要由声子的平均自由程决定。声子的平均自由程l主要受到2个因素的影响：(1)声子-声子的碰撞使声子的平均自由程减小。晶格振动的格波相互作用越强，声子间的碰撞概率越大，相应的平均自由程越小；(2)晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波的散射，从而使得声子平均自由程减小。
3、Watari等的研究表明热导率在室温附近达到最大值。高温时,热传导主要由声子-声子散射决定，且随着温度的升高，声子-声子散射加剧,平均自由程减小,热导率降低；低温时,热传导主要由声子-缺陷散射和/或声子-晶界散射决定，且随着温度的降低,平均自由程亦减小,热导率降低。热导率的影响因素影响AlN陶瓷热导率的因素主要有：晶格中杂质元素的含量，特别是氧元素的含量；烧结体的致密度；显微结构及烧结工艺等。(1)杂质氧杂质是影响AlN陶瓷热导率的主要因素。AlN与氧有很强的亲和性,在AlN晶格内容易形成空位、八面体、多型体和堆垛层错等与氧有关的缺陷,这些缺陷对声
4、子的散射大大降低了AlN陶瓷的热导率。AlN晶格中的本征缺陷主要由固溶于AlN中的Al2O3造成。缺陷种类与氧即Al2O3的含量有关。根据AlN晶格中氧含量的不同,Harris等提出了3种缺陷形式：①当[O]<0.75%(原子分数)时,O原子均匀分布于AlN晶格中,取代N位,形成Al空位,如式所示。 Al2O3-------2AlAl+3ON+VAl式中:ON为O占据AlN中N点阵的替位缺陷，VAl为Al的空位;②当[O]≥0.75%时,孤立的缺陷会产生团聚,铝原子与氧原子形成八面体缺陷,每形成1个八面体缺陷,就会消失2个VAl;③当[O]m0.
5、75%时,将形成含O的堆垛层错、反演畴界和多型体等缺陷。图1为AlN烧结体中氧含量(质量分数)与热导率的关系图。从图1中可以看出随着氧含量的增加,热导率明显降低。因此,为了得到高导热性能的AlN陶瓷,必须尽可能降低AlN烧结体中的氧含量。为此,一方面可以选择优质的AlN粉体进行烧结;另一方面,可以通过改善烧结工艺达到降低烧结体中氧杂质的目的。值得一提的是,测量AlN晶格中的氧含量,除了采用直接测量的方法外,还可以通过测量AlN晶格常数的大小间接获得。由于氧杂质的增多而产生的铝空位使AlN晶格的c轴值降低,所以较低的c轴常数与较高的氧含量、较低的热导
6、率相一致。因此可以通过测量AlN晶格常数值来表征AlN晶格中氧含量的多少和热导率的高低。除O外,其它杂质如Fe、Si、Mg及SiO2等的存在也会降低AlN的热导率。(2)致密度高致密度是AlN陶瓷烧结体获得高热导率的前提。如果烧结体不致密,存在的大量气孔会散射声子,进而降低热导率。一般认为,AlN陶瓷的热导率随着其致密度的提高而提高。当然这种关系也不是线性的,因为AlN陶瓷晶格中的氧含量对其热导率有着决定性的影响。另一方面,随着致密度的提高,机械性能也会得到改善。因此,为了得到高性能的AlN陶瓷,首先要提高其致密度。为了得到致密的AlN陶瓷,一般采
7、用提高烧结温度、加入烧结助剂、热压烧结等方法。QiuJY等通过在一般AlN粉末中添加纳米级颗粒的AlN颗粒进行烧结,结果显示加入一定量纳米级AlN颗粒也可以促进AlN陶瓷的致密化。(3)显微结构一般而言,AlN陶瓷烧结体主要由AlN晶相、铝酸盐第二相(晶界相)以及气孔等组成,而AlN陶瓷热导率与各相显微结构密切相关。除因氧等杂质的引入而造成的AlN晶格缺陷和气孔等对热导率损害较大外,第二相的存在也有重要影响,其中第二相的分布状态对热导率的影响尤为重要。第二相在AlN陶瓷中主要以2种形式分布,即孤岛状分布和连续分布。第二相孤岛状分布于三叉晶界处比连续
8、分布于AlN晶界更有利于提高热导率。因此,烧结AlN陶瓷过程中,应尽可能使第二相位于三叉晶界处,为此,可以通过改善烧结工艺
