低溫?zé)Y(jié)高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷及性能表征

低溫?zé)Y(jié)高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷及性能表征一、引言陶瓷是陶器和瓷器的總稱。中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時(shí)代）就發(fā)明了陶器。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常見的陶瓷材料有粘土、氧化鋁、高嶺土等。陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性較差。除了在食器、裝飾的使用上，在科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展中亦扮演重要角色。功能陶瓷是一類頗具靈性的材料，它們或能感知光線，或能區(qū)分氣味，或能儲存信息等。因此，說它們多才多能一點(diǎn)都不過分。它們在電、磁、聲、光、熱等方面具備的許多優(yōu)異性能令其他材料難以企及，有的功能陶瓷材料還是一材多能呢！而這些性質(zhì)的實(shí)現(xiàn)往往取決于其內(nèi)部的電子狀態(tài)或原子核結(jié)構(gòu)，又稱電子陶瓷。已在能源開發(fā)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等方面有廣泛應(yīng)用。大名鼎鼎的超導(dǎo)陶瓷材料就是功能陶瓷的杰出代表。1987年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧陶瓷在98K時(shí)具有超導(dǎo)性能，為超導(dǎo)材料的實(shí)用化開辟了道路，成為人類超導(dǎo)研究歷程的重要里程碑。壓電陶瓷在力的作用下表面就會帶電，反之若給它通電它就會發(fā)生機(jī)械變形。電容器陶瓷能儲存大量的電能，目前全世界每年生產(chǎn)的陶瓷電容器達(dá)百億支，在計(jì)算機(jī)中完成記憶功能。而敏感陶瓷的電性能隨濕、熱、光、力等外界條件的變化而產(chǎn)生敏感效應(yīng)：熱敏陶瓷可感知微小的濕度變化，用于測溫、控溫；而氣敏陶瓷制成的氣敏元件能對易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測、控制、報(bào)警和空氣調(diào)節(jié)；而用光敏陶瓷制成的電阻器可用作光電控制，進(jìn)行自動送料、自動曝光、和自動記數(shù)。磁性陶瓷是部分重要的信息記錄材料。此外，還有半導(dǎo)體陶瓷、絕緣陶瓷、介電陶瓷、發(fā)光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推進(jìn)劑陶瓷、太陽能光轉(zhuǎn)換陶瓷、貯能陶瓷、陶瓷固體電池、阻尼陶瓷、生物技術(shù)陶瓷、催化陶瓷、特種功能薄膜等，在自動控制、儀器儀表、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、精密機(jī)械、航空航天、國防等部門均發(fā)揮著重要作用。與其它材料一樣，功能陶瓷的制備方法主要也是傳統(tǒng)的高溫固相法以及溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、化學(xué)氣相沉積法等先進(jìn)的制備工藝。另一方方面，材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，而材料的性能決定材料的應(yīng)用。無論是材料的結(jié)構(gòu)研究，還是性能研究，其研究的最終目的是能夠得到實(shí)際應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以具有良好熱傳導(dǎo)性能的氮化鋁為研究對象，系統(tǒng)研究了陶瓷粉體的制備工藝、成型工藝及燒結(jié)工藝，并重點(diǎn)利用一些先進(jìn)的分析儀器對材料的性能進(jìn)行，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，最終培養(yǎng)學(xué)生具有功能材料檢測技術(shù)的能力。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)溶膠-凝膠低溫燃燒法制備陶瓷粉體的工藝過程，掌握其工作原理。（2）學(xué)習(xí)陶瓷的干壓和等靜壓成型過程，掌握其工作原理。（3）學(xué)習(xí)陶瓷的真空燒結(jié)過程，掌握其工作原理。（4）掌握X-射線衍射儀的工作原理和使用方法，并利用X-射線衍射儀測試制備的陶瓷粉體和陶瓷塊體的物相。（5）掌握激光粒徑分析儀的工作原理和使用方法，并利用激光粒徑分析儀分析陶瓷粉體的粒徑分布。（6）掌握掃描電子顯微鏡的工作原理和使用方法，并利用掃描電子顯微鏡分析陶瓷粉體和陶瓷斷面的微觀形貌。（7）掌握閃晶導(dǎo)熱儀的工作原理和使用方法，并利用閃晶導(dǎo)熱儀測試陶瓷塊體的熱導(dǎo)率。三、實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、實(shí)驗(yàn)原料硝酸鋁、硝酸釔、葡萄糖、PVB2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備干燥箱、馬弗爐、真空燒結(jié)爐、X-射線衍射儀、激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡、閃晶導(dǎo)熱儀四、工藝過程1、溶膠-凝膠低溫燃燒工藝制備陶瓷粉體溶膠－凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。低溫燃燒合成法（Low-temperatureCombustionSynthesis，簡寫為LCS）是相對于SHS而提出的一種新型材料制備技術(shù)，該方法主要是以可溶性金屬鹽（主要是硝酸鹽）和有機(jī)燃料（如尿素、檸檬酸、氨基乙酸等）作為反應(yīng)物，金屬硝酸鹽在反應(yīng)中充當(dāng)氧化劑，有機(jī)燃料在反應(yīng)中充當(dāng)還原劑，反應(yīng)物體系在一定溫度下點(diǎn)燃引發(fā)劇烈的氧化-還原反應(yīng)，一旦點(diǎn)燃，反應(yīng)即由氧化-還原反應(yīng)放出的熱量維持自動進(jìn)行，整個(gè)燃燒過程可在數(shù)分鐘內(nèi)結(jié)束，溢出大量氣體，其產(chǎn)物為質(zhì)地疏松、不結(jié)塊、易粉碎的超細(xì)粉體。本實(shí)驗(yàn)將以上兩種工藝結(jié)合，具體工藝流程如下所示：硝酸硝酸釔硝酸鋁葡萄糖溶液泡沫狀粉體前驅(qū)體氮化鋁粉體氮化鋁粉體加熱預(yù)燒氮化除碳2、陶瓷的成型和燒結(jié)將配料做成規(guī)定尺寸和形狀，并具有一定機(jī)械強(qiáng)度的生坯。有干壓成型、半干壓成型、可塑成型、注漿成型法等、等靜壓法。陶瓷燒結(jié)是指隨著溫度升高，陶瓷坯體中具有比表面大，表面能較高的粉粒，力圖向降低表面能的方向變化，不斷進(jìn)行物質(zhì)遷移，晶界隨之移動，氣孔逐步排除，產(chǎn)生收縮，使坯體成為具有一定強(qiáng)度的致密的瓷體。燒結(jié)的推動力為表面能。燒結(jié)可分為有液相參加的燒結(jié)和純固相燒結(jié)兩類。燒結(jié)過程對陶瓷生產(chǎn)具有很重要的意義。為降低燒結(jié)溫度，擴(kuò)大燒成范圍，通常加入一些添加物作助熔劑，形成少量液相，促進(jìn)燒結(jié)。如添加少量二氧化硅促進(jìn)鈦酸鋇陶瓷燒結(jié)；又如添加少量氧化鎂、氧化鈣、二氧化硅促進(jìn)氧化鋁陶瓷燒結(jié)。本實(shí)驗(yàn)陶瓷成型采用干壓和等靜壓相結(jié)合，陶瓷燒結(jié)過程是有液相生產(chǎn)的液相燒結(jié)過程，具體工藝流程如下所示：氮化鋁粉體氮化鋁粉體PVB造粒氮化鋁粉體烘干干壓等靜壓氮化鋁素胚排膠氮化鋁素胚氮化鋁陶瓷五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、溶膠-凝膠低溫燃燒工藝制備含Y2O3超細(xì)氮化鋁粉體（1）以硝酸鋁作為鋁源，葡萄糖作為碳源，硝酸釔作為助劑源，稱取20g硝酸鋁、0.31g硝酸釔和8.8g葡萄糖溶于20mL去離子水中，得到混合溶液；（2）溶液在烘箱中130℃加熱，隨著溶劑的蒸發(fā)，得到淡黃色的凝膠體，繼續(xù)加熱，凝膠體突然沸騰、燃燒，最終得到黑棕色的泡沫狀粉體；（3）泡沫狀粉體在真空碳管爐弱還原氣氛中1000℃煅燒，得到混合均勻的Al2O3（4）前驅(qū)體在流通混合氣體(N2-5%H2)中1350℃、1400℃（5）氮化后的粉體在普通電爐中700℃除碳，得到Y(jié)2O3含量為4wt%的氮化鋁粉體。2、氮化鋁陶瓷的制備（1）制樣：稱取上述制備的Y2O3含量為4wt%的氮化鋁粉體10g置于研缽中，加入15wt%PVB無水乙醇溶液進(jìn)行造粒、過100目篩后，每次稱取2.5g造粒好的粉體于Ф為15mm的模具中壓片，共壓制（2）排膠：將上述圓片置于馬弗爐中，500℃保溫60mim排膠，升溫速率為1℃（3）燒結(jié)：將排膠過后的圓片置于石墨坩堝中，在真空碳管爐中分別于1650℃、1700℃、1750℃和18003、分析測試（具體儀器原理與操作說明見附件）（1）氮化鋁粉體XRD測試；（2）氮化鋁粉體激光粒度分析和SEM觀察；（3）氮化鋁陶瓷體積密度測試；（4）氮化鋁陶瓷斷面微觀形貌分析。（5）氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率測試；七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（1）寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容及步驟，設(shè)計(jì)圖表記錄分析實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。（2）用激光粒徑分析儀和掃描電子顯微鏡表征氮化鋁分體的粒徑。（3）分別繪制氮化鋁陶瓷密度和熱導(dǎo)率與燒結(jié)溫度的關(guān)系圖，并對其進(jìn)行分析。（4）探討氮化鋁陶瓷斷面形貌與氮化鋁熱導(dǎo)率間的關(guān)系。思考題（1）總結(jié)溶膠-凝膠法制備陶瓷粉體的優(yōu)點(diǎn)？（2）總結(jié)利用激光粒度分析儀和利用掃描電子顯微鏡分析陶瓷粉體粒徑的優(yōu)缺點(diǎn)？（3）以陶瓷粉體XRD測試、激光粒度分析、SEM分析中的一種為例，說明在測試中遇到的問題或需注意的問題？（4）總結(jié)生活中遇到過哪些陶瓷產(chǎn)品，應(yīng)用了其哪些性能，并舉例說明？附件：主要分析測試儀器工作原理及操作方法1、X-射線衍射儀工作原理及操作方法X射線衍射儀是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力，精確的進(jìn)行物相分析，定性分析，定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)及材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)所用D2PHASER是德國布魯克AXS公司最新推出的桌面型多晶X射線衍射儀，通過Bragg-Brentano幾何，可以獲得高質(zhì)量的衍射數(shù)據(jù)，用于定性、定量分析、晶粒大小及微觀應(yīng)力分析、結(jié)晶度分析以及結(jié)構(gòu)精修。先進(jìn)的陶瓷X光管技術(shù)、高精度的測角儀、超高強(qiáng)度的探測器，再加上屢獲殊榮的軟件意味著一個(gè)完美的粉末衍射解決方案。其操作步驟如下：（1）、檢查所有儀器的電源處于關(guān)斷狀態(tài)；（2）、打開D2PHASER主機(jī)背后電源開關(guān)；（3）、主機(jī)啟動后，四個(gè)LED指示燈依次亮起，屏幕出現(xiàn)按下“Ctrl+Alt+Del”提示，按下后屏幕出現(xiàn)登錄界面；（4）、輕按主機(jī)底部鍵盤鼠標(biāo)盒，拉出鍵盤鼠標(biāo)，輸入用戶名（Administrator）和密碼（password）；（5）、進(jìn)入主機(jī)電腦系統(tǒng)，打開測試程序：Start→AllPrograms→DIFFRAC.MeasurementSuite→DIFFRAC.Measurement（6）、等待幾秒后，出現(xiàn)“PleaseLogin”窗口，登錄名選擇“LabManager”，密碼為空，直接點(diǎn)擊“OK”進(jìn)入測試軟件界面；（7）、輕拉主機(jī)球形把手打開前門，向下打開樣品臺，放入樣品后再將樣品臺合上，最后向下拉關(guān)閉前門；（8）、在主機(jī)背后將X-射線開關(guān)鑰匙向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)處于“X-rayon”狀態(tài)，在測試軟件中選擇“COMMANDER”界面；（9）、勾選“Requested”復(fù)選框，再點(diǎn)擊“Init”按鈕進(jìn)行初始化；（10）、在“Scantype”框內(nèi)選擇“Lockedcoupled”，設(shè)置掃描范圍和步長；（11）、開啟“X-RayGenerator”處于“on”狀態(tài)，點(diǎn)擊“Start”開始測試；（12）、測試完成后，點(diǎn)擊保存按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，格式為“RawV3File”或“txt”。（13）、關(guān)機(jī)操作：關(guān)閉“X-RayGenerator”處于“off”狀態(tài)；關(guān)閉所有軟件程序；取出樣品；關(guān)閉主機(jī)計(jì)算機(jī)，當(dāng)屏幕出現(xiàn)“Itisnowsafetoturnoffyourproblems”時(shí)關(guān)閉主機(jī)背后電源開關(guān)。2、激光粒徑分析儀工作原理及操作方法光在傳播中，波前受到與波長尺度相當(dāng)?shù)南犊谆蝾w粒的限制，以受限波前處各元波為源的發(fā)射在空間干涉而產(chǎn)生衍射和散射，衍射和散射的光能的空間（角度）分布與光波波長和隙孔或顆粒的尺度有關(guān)。用激光做光源，光為波長一定的單色光后，衍射和散射的光能的空間（角度）分布就只與粒徑有關(guān)。對顆粒群的衍射，各顆粒級的多少決定著對應(yīng)各特定角處獲得的光能量的大小，各特定角光能量在總光能量中的比例，應(yīng)反映著各顆粒級的分布豐度。按照這一思路可建立表征粒度級豐度與各特定角處獲取的光能量的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)而研制儀器，測量光能，由特定角度測得的光能與總光能的比較推出顆粒群相應(yīng)粒徑級的豐度比例量。本實(shí)驗(yàn)采用美國Microtrac公司的S3500激光粒度儀，先將粉體置于液體中，采用超聲振蕩使其充分分散，然后再進(jìn)行測試，其操作步驟如下：（1）、打開主機(jī)電源，打開進(jìn)樣器電源，打開計(jì)算機(jī)，雙擊MicrotracFLEX軟件圖標(biāo)打開測量軟件。（2）、選擇儀器型號：Measure→SelectInstrument→S3500。（3）、設(shè)置測量參數(shù)。（4）、點(diǎn)擊SETZERO按鈕，執(zhí)行一次置零操作。（5）、加樣、測量、清洗。（6）、整個(gè)測量結(jié)束后，點(diǎn)擊OFF按鈕關(guān)閉循環(huán)，點(diǎn)擊DRAIN按鈕排水，然后依次關(guān)閉軟件、計(jì)算機(jī)、進(jìn)樣器電源、粒度儀主機(jī)電源。3、掃描電子顯微鏡工作原理及操作方法掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動（聲子)、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實(shí)現(xiàn)。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。本實(shí)驗(yàn)采用日本Hitich公司生產(chǎn)的TM3000掃描電子顯微鏡觀察陶瓷粉體和塊體斷面的微觀形貌，具體操作步驟如下：（1）、按要求制備樣品。（2）、打開主機(jī)背部電源開關(guān)及側(cè)面開關(guān)，切換抽氣/進(jìn)氣模式，放入樣品，抽真空。（3）、打開控制用計(jì)算機(jī)，進(jìn)入控制軟件。（4）、點(diǎn)擊START開始觀察，點(diǎn)擊SAVE或QUICKSAVE保存圖像。（5）、測試完成后，點(diǎn)擊STOP停止發(fā)射電子束，換樣或準(zhǔn)備關(guān)機(jī)。（6）、關(guān)機(jī)操作：取出樣品架，抽好真空保護(hù)；依次關(guān)閉主機(jī)側(cè)面、背部開關(guān)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)。6、閃射法導(dǎo)熱儀工作原理及操作方法熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一系統(tǒng)的現(xiàn)象叫做熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式。在氣體或液體中，熱傳導(dǎo)過程往往和對流同時(shí)發(fā)生。各種物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能不同，一般金屬都是熱的良導(dǎo)體，玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液體和氣體都是熱的不良導(dǎo)體，石棉的熱傳導(dǎo)性能極差，常作為絕熱材料。而導(dǎo)熱儀就是這樣一種表征物體熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)弱的分析儀器，本實(shí)驗(yàn)所用的導(dǎo)熱儀是美國Anter公司生產(chǎn)的Flashline3000K2導(dǎo)熱儀，可以測試致密樣品材料設(shè)定溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率，不僅可以測量各種