摘要
Si3N4陶瓷集高强度、高热导率、抗热震和高电阻等优异性能于一身，是可用于功率模块封装的新一代陶瓷基板材料。然而，Si3N4陶瓷热学与力学性能难以兼顾、以及高昂的粉体原料成本，制约了其商业化应用。 针对以上两个问题，本论文以低成本制备高强、高热导Si3N4陶瓷为目标，通过复合烧结助剂的筛选和优化，系统研究了助剂配方对Si3N4陶瓷烧结致密化、相转变、晶粒生长行为的影响规律。在此基础之上，从日本宇部UBE公司的商业α-Si3N4粉体扩展到自主研发燃烧合成的低成本Si3N4粉体，制备出力/热性能兼顾的Si3N4陶瓷。主要研究结果如下: 首先对比研究了7种RE2O3-MgSiN2(RE=Sc、Lu、Yb、Y、Gd、Nd、La)复合助剂对Si3N4陶瓷微结构和性能的影响，发现“热压烧结+退火处理”后，Si3N4陶瓷的热导率呈现出随稀土离子半径减小而逐渐增大的规律，小离子半径的Sc2O3、Yb2O3与MgSiN2组成的复合助剂可有效提升热导率。选择Sc2O3-MgSiN2助剂体系，在仅1mol％Sc2O3超低助剂添加量的条件下实现了气压烧结Si3N4的致密化。得益于极低的晶间相占比和大量的大尺寸β-Si3N4晶粒，添加Sc2O3-MgSiN2的Si3N4陶瓷热导率高达137.2W·m1·K-1，较之对照组(Sc2O3-MgO)提升了34.1％，明显优于相同烧结条件下文献报道的结果。此外，通过改变Yb2O3-MgSiN2助剂的配比，实现了对Si3N4陶瓷微结构的调控，得到了兼具高热导率(131.0W·m-1·K-1)和高韧性(9.46±0.53MPa·m1/2)的Si3N4陶瓷。 首次选择Gd2O3-MgSiN2复合助剂制备了高强、高热导Si3N4陶瓷。研究发现助剂中Gd2O3/MgSiN2比率对Si3N4的致密化、力学性能和热扩散系数有重要影响，当Gd2O3/MgSiN2=1时，经1900℃烧结12h后具有最优的综合性能:热导率124.3W·m-1·K-1,弯曲强度648±28MPa,断裂韧性9.12±0.23MPa·m1/2。进一步地，优化助剂含量后，经1900℃烧结4h制备的具有典型自强化结构的Si3N4陶瓷，兼具高热导率(95.2W·m-1·K-1)、高弯曲强度(879±40MPa)和高Weibull模数(13.43)，其综合性能与京瓷公司的商业化Si3N4陶瓷基板相当。 基于以上研究，首次以“燃烧合成工艺制备的低成本Si3N4粉体”为原料，分别以Gd2O3-MgSiN2和Yb2O3-MgSiN2为助剂，成功制备了高强度、高热导率Si3N4陶瓷。结果表明，Si3N4粉体的α/β相含量和氧含量对气压烧结制备Si3N4陶瓷的烧结行为和性能有重要影响。向α-Si3N4粉体中掺入β-Si3N4,不仅促进了致密化，还可以起到晶种诱导作用促进晶粒择优生长。当掺入25wt％的β-Si3N4时，热导率、弯曲强度和断裂韧性分别为119.5W·m1·K-1、661±25MPa和9.17±0.25MPa·m1/2。此外，使用低氧含量的α-Si3N4粉体(0.8wt％)制备的Si3N4陶瓷热导率达129.1W·m-1·K-1,但弯曲强度仅572±8MPa;而使用高氧含量的α-Si3N4粉体(1.2wt％)则可实现力、热性能兼顾:热导率123.2W·m-1·K-1，弯曲强度646±9MPa，断裂韧性9.23±0.29MPa·m1/2。造成以上性能差异的原因在于相变致密化和颗粒重排致密化之间的竞争机制:氧含量低时，相变致密化快于颗粒重排致密化，有利于晶粒的异常长大，样品具有高热导率;而氧含量高时，颗粒重排致密化成为主导机制，有利于自强化微结构的形成，样品具有高强度。
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