с9_ Дитцx

ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ
ПРЕССОВАНИЯ
А.А. Косолапов, А.А. Дитц, И.Б. Ревва, В.М. Погребенков
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634050, г. Томск, ул. Ленина, 30
E-mail: ditts@tpu.ru
Abstract – В работе представлены результаты исследования по получению
высокотеплопроводной керамики из коммерческих порошков нитрида алюминия и
оксида иттрия методом одноосного прессования из гранулята. Предложена
принципиальная схема приготовления и определены технологические свойства
гранулята. Проведены исследования теплофизических свойств полученной керамики,
структуры методами XRD, SEM. В работе была получена керамика с
теплопроводностью от 172 до 174 Вт/м∙К.
Введение
Объем мирового рынка керамики в 2013 году составил – 46 млрд. $. Объем
российского рынка керамики в 2013 году составил – 0,5 млрд. $. Среднегодовые темпы
роста мирового рынка функциональной керамики, составляют 38% в год, темпы роста
российского рынка – порядка 20 % в год. Одним из востребованных сегментов рынка в
соответствии с мировыми тенденциями развития является электроника и
электротехника (керамические элементы для электронной промышленности, в том
числе для теплонагруженных элементов полупроводниковых приборов, мощных
светодиодов; изоляторы различного применения для электротехники и энергетики).
Рост применения керамических материалов обусловлен преимуществом в свойствах
современной керамики по сравнению с традиционными материалами. Около 80%
совокупного потребления изделий из технической керамики в России приходится на
импорт по данным обзора рынка, выполненного компанией Dedalus Consulting, отчет
«Ceramics and Superabrasives Dominate the Global Market From 2008 to 2013».
Одним
из
перспективных
направлений
является
производство
высокотеплопроводных материалов и изделий на основе нитрида алюминия. Нитрид
алюминия обладает рядом уникальных свойств по сравнению с другими материалами,
применяемыми в микроэлектронике.
Цель данной работы: разработка технологии получения гранулята из порошка
нитрида алюминия и прессование простых по форме изделий из гранулята.
Эксперимент
В работе были использованы промышленные порошки нитрида алюминия
производства фирмы H.C. Starck grade B, для снижения температуры спекания вводили
порошок оксида иттрия производства фирмы H.C. Starck grade С.
По данным рентгенофазового анализа, выполненном на дифрактометре Shimadzu
XRD-7000, порошок нитрида алюминия представлен единственной фазой (000-251133). На рентгенограмме порошка оксида иттрия присутствуют только рефлексы
оксида иттрия (000-41-1105).
Результаты лазерной гранулометрии исходных порошков нитрида алюминия и
оксида иттрия, полученных на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц
SALD 7101, представлены в (табл. 1).
Полученные результаты лазерной гранулометрии подтверждаются данными
растровой электронной микроскопии, выполненной на микроскопе JSM 7500FA, для
исследуемых порошков нитрида алюминия и оксида иттрия (рис. 1, 2).
Таблица 1
Данные гранулометрии порошков
Исходный
Размер частиц, мкм
порошок
D10
D50
D90
AlN
0,200
1,200
5,100
Y2O3
0,641
1,455
2,926
Согласно данным микроскопии порошок нитрида алюминия представлен крупными
объемными частицами обломочной формы с размерами частиц от 2 до 5мкм.
Рис. 1. Микрофотографии порошка AlN
Рис. 2. Микрофотографии порошка Y2O3
H.C Starck ×20000
H.C. Starck ×20000
Согласно данным микроскопии порошок нитрида алюминия представлен крупными
объемными частицами обломочной формы с размерами частиц от 2 до 5мкм.
Для изготовления прессовок смесь порошка нитрида алюминия и оксида иттрия
гранулировали, поскольку исходные порошки и их смесь имели неудовлетворительные
свойства (насыпную плотность: 0,63 г/см3 и 0,23 г/см3 соответственно). Сыпучесть
исходных порошков измерить не удалось. Гранулирование смеси порошков проводили
методом «разлома брикета», схема приготовления гранулята представлена на (рис. 3).
Согласно предложенной схеме, порошки нитрида алюминия и оксида иттрия
смешивались, в шаровой мельнице в течение 24 часов. Полученная смесь порошков
сушилась в вакуумном сушильном шкафу. К приготовленной смеси порошков
добавляли раствор связки и прессовали брикет из пластифицированной массы.
Полученный брикет разламывали и рассеивали на вибросите для получения гранулята
заданной фракции.
Рис. 3. Технологическая схема получения гранулята
Образцы прессовали в виде дисков диаметром 30 мм и высотой до 5 мм.
Спрессованные образцы спекали в высокотемпературной графитовой печи в среде
азота при температуре спекания 1800-1850 °С.
Результаты
Гранулирование позволяет получить гранулят с лучшими технологическими
свойствами (табл. 2).
Таблица 2
Технологические свойства порошков и гранулята
Материал
Исходные порошки
Смесь
порошков
AlN
Y2O3
0,63
0,23
0,43
Технологические
свойства
Насыпная плотность,
г/см3
Сыпучесть, г/с
-
-
Гранулят
0,88
-
25
Все приготовленные грануляты имели близкий гранулометрический состав,
определенный методом рассева, что связано с одинаковым методом получения
гранулятов. Данные по гранулометрии приготовленных гранулятов представлены на
(рис. 4).
Содержание фракции, мас.%
60
55.7
53.26
52.22
50
40
30
23.31
20
0,315
26.53
15.46
22.76
15.55
15.42
0,2
0,14
0,08
10
4.28
0.51
0.36
0
В-97
В-95
Шифр гранулята
В-93
Рис. 4. Гранулометрический состав приготовленных гранулятов.
Все грануляты имели близкую форму гранул, в виде объемных частиц обломочной
формы разного размера, что связано с одинаковым способом изготовления гранулята,
микрофотографии гранул представлены на (рис 5).
a)
b)
Рис. 5. Микрофотографии гранул a) ×25; b) ×10
Влияние разных факторов оценивали по свойствам прессовок, полученных
одноосным прессованием в металлических пресс-формах, по относительной плотности
прессовок. Кажущуюся плотность прессовок определяли геометрически.
Относительная плотность прессовок, %
63
61
В-97
59
В-95
57
В-93
55
0.5
1.0
1.5
2.0
Удельное давление прессования, т/см2
Рис. 6. Зависимость относительной плотности прессовок от содержания временной
связки
Спекание нитрида алюминия проводили в высокотемпературной печи, с
графитовыми нагревателями, в среде азота при температуре от 1800 до 1850°С и
изотермической выдержке 4 -8 часов.
Для получения высокой теплопроводности требуется обеспечить прямой контакт
между зернами нитрида алюминия, обеспечение сплошности - отсутствия пор в
спеченном материале.
На представленных микроснимках (рис. 7) видно, что спекающая добавка
равномерно распределена в спечённой керамике.
a)
b)
Рис. 7. Микрофотографии спеченной керамики из нитрида алюминия a)×2000; b) ×500
Появление расплава во время спекания обеспечивает транспортные реакции,
спекание по жидкофазному механизму, что значительно ускоряет процесс. Расплав
после этого вытесняется в тройную точку, обеспечивая прямой контакт между зернами
нитрида алюминия, где кристаллизуется. Размер зерна нитрида алюминия по данным
электронной микроскопии составляет от 2 до 7 мкм.
Выводы.
В работе предложена принципиальная схема получения гранулята из нитрида
алюминия и оксида иттрия, проведено исследование влияния различных факторов на
свойства гранулята, прессовок и спеченной керамики. Гранулирование улучшает
технологические свойства (насыпная плотность, сыпучесть) и повышает качество
прессовок. На относительную плотность прессовок в большей степени влияет удельное
давление прессования и гранулометрический состав гранулята. Наибольшую
относительную плотность прессовок 66.0 % получили при удельном давлении 2.0 т/см2
для гранулята с содержанием 5 мас.% связки и состоящем из двух фракций. Спеченная
керамика обладает относительная плотность для всех гранулятов более 99 %, открытая
пористость близка к нулю. Важной характеристикой керамики является
теплопроводность, которая определяет возможность применения полученных
материалов в качестве теплоотвода. Теплопроводность полученной керамики от 172 до
174 Вт/м·K, данная теплопроводность отвечает запросам потребителей и соответствует
мировому уровню.
Работа
выполнена
в
рамках
реализации
Программы
повышения
конкурентоспособности
Национального
исследовательского
Томского
политехнического университета среди ведущих мировых научно-образовательных
центров: «Материалы для экстремальных условий» Номер: ВИУ_ИФВТ_85_2014.
Список литературы
1. Samsonov G. V. Nitrides. – Kiev: Naukova dumka, 1969. – 380 p.
2. Mitina N.A., Zemnickaya A.A., Boriskin S.A., Larina K.V., Ditts A.A. Obtaining
heat-conducting materials from aluminum nitride / Proceedings - 2012 7th International
Forum on Strategic Technology, IFOST 2012.
3. Zemnickaya A.A., Larina K.V., Boriskin S.A., Revva I.B., Ditts A.A. Influence of the
history of obtaining the materials of aluminum nitride on the properties of ceramics /
Proceedings – 2012 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012.
4. Gromov, A.A., Strokova, Yu.I., Ditts, A.A. Passivation films on particles of
electroexplosion aluminum nanopowders: A review (Article) / Russian Journal of Physical
Chemistry B Volume 4, Issue 1, February 2010, Pages 156-169.
5. Chaplina Y, Gromov A.A., Ditts A.A., Mitina N.A. Baking of oksinitridny ceramics
from the fusion mixture received the self-extendingby high-temperature synthesis//News of
higher education institutions. Physics. - 2011 - Т. 54 - №. 11/3 C. 283-287.
6. Gromov A.A., Ditts A.A., Strokova U. I. Passivating coverings on particles of
electroexplosive nanopowders of aluminum//Chemical physics. - 2010. - Т.29 - № 2. - p. 86–
100.
7. Ditts A.A. Zemnickaya A.A., Boriskin S.A., Larina K.V. Влияние предыстории
получения материалов нитрида алюминия на свойства керамики / News of higher
education institutions. Physics. - 2012 - Т. 55. №. 5-2. C. 105-109.
8. Zemnickaya A.A., Larina K.V., Mitina N.A., Ditts A.A. Получение
высокотеплопроводных материалов из нитрида алюминия. / News of higher education
institutions. Physics. - 2012 - Т. 55. №. 5-2. C. 110-113.
9. Gromov A.A., Ditts A.A., Strokova U. I. Passivating coverings on particles of
electroexplosive nanopowders of aluminum//Chemical physics. - 2010. - Т.29 - № 2. - p. 86–
100.