氮化鋁(AlN)是強(qiáng)共價(jià)化合物，被F. Briegler和A. Geuther于1862年發(fā)現(xiàn) 。氮化鋁是二元Al-N系中唯一穩(wěn)定存在的化合物，具有六方纖鋅礦的特點(diǎn)，在AlN晶胞中，每個(gè)Al原子填充在以4個(gè)N原子為頂點(diǎn)的四面體空隙中，形成[AlN4]四面體。在氮化鋁晶體中，Al-N鍵的平均鍵長(zhǎng)為0.1885 nm，而[001]方向的Al-N鍵鍵長(zhǎng)為0.1917 nm，相較其他三根Al-N鍵，所以形成了一個(gè)畸變的[AlN4]四面體結(jié)構(gòu)，其空間群為P63mc，晶格常數(shù)為a = 0.311 nm，c = 0.978 nm。
圖 氮化鋁陶瓷，攝于華清電子CMPE2023展
AlN具有以下四個(gè)方面的優(yōu)異性能：
1) 熱學(xué)性能。單晶氮化鋁的熱導(dǎo)率理論值可達(dá)320 W/(m·k)，室溫下其熱導(dǎo)率是Al2O3的數(shù)倍，與氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率(理論值為350 W/(m?k))相近，并且無(wú)毒無(wú)害。隨著溫度升高，氮化鋁的導(dǎo)熱性能會(huì)逐漸優(yōu)于氧化鈹。在常溫下氮化鋁的熱膨脹系數(shù)(4.5 × 10?6?C)與硅的熱膨脹系數(shù)(3.5~4 × 10?6?C)接近。
2) 電學(xué)性能。常溫下，氮化鋁是優(yōu)良的絕緣材料，其電阻率約為1014 Ω?cm并且擊穿電壓可達(dá)到15 kV/mm；氮化鋁與氧化鋁的介電常數(shù)相近，可達(dá)8.9 F/m (1 MHz)，氮化鋁的介電損耗約為(3~10) × 10?4?(1 MHz)。
3) 力學(xué)性能。常溫下，氮化鋁陶瓷硬度約為12 GPa，密度理論值約為3.26 g/cm3，楊氏模量為308 GPa，莫氏硬度為7~8。氮化鋁在2200℃左右分解，室溫下抗彎強(qiáng)度可達(dá)到300 MPa。氮化鋁的強(qiáng)度受溫度的影響不大，如溫度為1300℃時(shí)，氮化鋁的高溫強(qiáng)度比室溫下的強(qiáng)度降低約20%，而氧化鋁和氮化硅在高溫下下，其強(qiáng)度總體要減少50%。
4) 化學(xué)性能。氮化鋁材料耐高溫抗腐蝕，可以穩(wěn)定存在于砷化鎵等化合物的熔鹽中，并且鋁、銅、鎳等金屬也無(wú)法浸潤(rùn)氮化鋁材料。氮化鋁開始發(fā)生氧化的溫度約為700℃~800℃，常溫下使用氮化鋁材料不用考慮器件被氧化的問(wèn)題。氮化鋁容易與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，因此需要在干燥陰涼處保存。
AlN陶瓷的成型方法有干壓、等靜壓、粉末注射成型和流延成型等。根據(jù)產(chǎn)品不同的性能要求以及生產(chǎn)成本的控制，需選擇合適的成型方法。
1、干壓成型
干壓成型由于操作簡(jiǎn)單可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，在原料混合均勻后，加入適量的結(jié)合劑進(jìn)行造粒，向模具中加入一定量的造粒后的粉料，在壓片機(jī)上加壓形成一定形狀的坯體，所施加的壓力與所要求的成品性能相關(guān)。
干壓成型具有工藝簡(jiǎn)單效率高、在工業(yè)應(yīng)用中容易進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；但是在壓片過(guò)程中容易形成應(yīng)力分布不均造成坯體密度不均，組織結(jié)構(gòu)的均勻性相對(duì)較差，會(huì)產(chǎn)生開裂、分層等現(xiàn)象；另外模具的造價(jià)較高，連續(xù)的軸向壓制對(duì)模具的損害較大導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。
2、等靜壓成型
等靜壓成型是將粉體放入高壓容器中，利用液體對(duì)粉末施加壓力，粉體受到來(lái)自各個(gè)方向并且相等的力，所以冷等靜壓工藝制備的樣品密度高且均勻。等靜壓成型根據(jù)加壓過(guò)程中的溫度可分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓。一般情況下，粉體主要采用冷等靜壓成型，壓力范圍為100~400 MPa。等靜壓成型過(guò)程可以分成三個(gè)階段：初期壓力較小，粉體顆粒開始承受壓力進(jìn)行一定程度的重新堆積；中期壓力升高，顆粒發(fā)生局部流動(dòng)，部分團(tuán)聚粉體出現(xiàn)碎化現(xiàn)象；后期壓力達(dá)到峰值，排出氣體，體積進(jìn)一步壓縮，坯體達(dá)到致密化。
等靜壓成型可以生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的AlN陶瓷，制備出的坯體密度高且均勻。但由于生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低，等靜壓成型在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較少。
3、粉末注射成型
粉末注射成型是一種結(jié)合現(xiàn)代高分子注塑理論與陶瓷制造技術(shù)的成型方法，是將氮化鋁粉末與有機(jī)粘結(jié)劑等原料均勻混合，原料混合后在一定溫度、一定壓力下被高速送入注塑成型室內(nèi)進(jìn)行成型，成型后采用合適的方法脫除坯體中的粘結(jié)劑，最后經(jīng)燒結(jié)獲得產(chǎn)品，工藝流程如圖所示。
陶瓷粉末注射成型可以制造形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的產(chǎn)品。注射成型具有成型樣品精度高表面粗糙度小、密度均勻、強(qiáng)度高、易實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，注射成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子信息工程、生物醫(yī)療、鐘表業(yè)以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。但是注射成型主要用于制備小型精密部件，在大部件的制造中成本仍然較高。
?4、流延成型
流延成型是將氮化鋁粉料與各種添加劑均勻混合制成漿料，而后漿料經(jīng)漏斗傳送至載帶上，通過(guò)載帶和刮刀的相對(duì)移動(dòng)形成素坯膜。在配制漿料過(guò)程中需要加入分散劑來(lái)避免漿料中的粉末進(jìn)行團(tuán)聚沉降，加入粘結(jié)劑來(lái)保證干燥后生帶的成型，加入增塑劑來(lái)使生帶具備一定的柔韌性。分散劑與粘結(jié)劑的作用是相反的，不可同時(shí)加入，要分先后次序。流延工藝的流程中分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑的選擇及含量配比很關(guān)鍵，都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能。
流延法成型具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，但是流延法成型更適用于制作片狀材料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)AlN陶瓷復(fù)雜形狀的成型。
5、3D打印成型
3D打印是一種可快速成型的增材制造技術(shù)，要首先在電腦上創(chuàng)建數(shù)字模型，而后將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)中，采用粉末狀金屬或塑料等可粘合可流動(dòng)的材料，按照數(shù)據(jù)模型進(jìn)行逐層構(gòu)建整個(gè)物體。在陶瓷成型的應(yīng)用中，光固化3D成型技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。Belmonte等采用3D增材制造技術(shù)，獲得了氣孔率在45%~64%之間的氮化鋁多孔陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方體陶瓷的有效導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)出各向異性，縱向的導(dǎo)熱系數(shù)大約是橫向的六倍，這一現(xiàn)象和多孔結(jié)構(gòu)的解離變化有關(guān)。
相對(duì)于其他成型方法，光固化成型技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，可以制造具有高精確度、形狀復(fù)雜的氮化鋁陶瓷器件。隨著研究的不斷深入，3D打印在航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)不斷擴(kuò)大。3D成型技術(shù)的在陶瓷中的應(yīng)用關(guān)鍵在于要配制高固含量和低粘度的陶瓷漿料，目前可以用于3D打印的陶瓷漿料很少，這就很大程度限制了3D成型技術(shù)的在陶瓷中的應(yīng)用發(fā)展。
資料來(lái)源：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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