添加氧化钇的氮化铝陶瓷的显微结构及相组成

[摘 要]氮化铝很难烧结，氧化钇是氮化铝陶瓷很好的烧结助剂。添加1%的氧化钇就能使氮化铝烧结致密。氧化钇的添加量超过1%，氮化铝陶瓷的密度有所下降。添加氧化钇的氮化铝陶瓷主晶相是氮化铝，晶界是Al-N-O-W-C玻璃相，玻璃相中夹杂有制造过程中带入的含W杂质，在晶界交汇处有钇铝石榴石（YAG）晶体。

[关键词]氮化铝 氧化钇 烧结性 显微结构 相组成

中图分类号：TQ174.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0311-01

氮化铝陶瓷有高的室温强度和优良的高温力学性能及抗熔融金属侵蚀性能，还有高的导热性和低的热膨胀系数，预示着氮化铝陶瓷可能成为很好的高温结构材料。本文研究了添加氧化钇的氮化铝陶瓷的烧结性能及其显微结构和相组成。

一、实验

1、原料处理及原料颗粒表面分析

实验用的氮化铝粉末是核工业部八所生产的，氧化钇在化学试剂商店购得的。

众所周知，比表面积是影响陶瓷烧结性能的重要因素之一，随着粉末比表面积的变大，粉末的表面能增加，活性升高，体系的能量升高，烧结动力也随之增加。为了增大氮化铝粉末的比表面积，氮化铝粉末是在振动磨上进行微化处理的，经研磨后的氮化铝原料粉末平均粒经从3.25um降到0.80um，比表面积从4413.7增加到36139。平均粒度及比表面积是在SKC-2000仪上测定的。

2、氮化铝陶瓷制备

①配料及混合按氧化钇添加量1%、2%、3%、4%，在万分之一分析天平上精量好氮化铝粉末及氧化钇粉末于标量瓶中。将称量好的料置于塑料罐中，用玛瑙球为弹子，在振动磨上干混1小时。混好的料置于称量瓶中，放入干燥器中用于烧成。②烧成采用热压烧结，以氮气作为保护气体。烧成制度为：烧结温度：1900℃，外加最高压力：34.30MPa，保温时间：1小时。为了避免高温下AlN与石墨模具发生反应，烧结前在石墨模具内壁涂上一层BN酒精浆料。③机械加工

烧结后试块粘模，须用砂轮将试块表面的石墨模具磨去。在石英晶体切片机上将试块切成所需的条状。然后分别用Φ80um、Φ20um、Φ5um的SiC砂在预磨机和抛光机上将试条四个侧面加工成镜面（在反光显微镜下看不到划痕），控制试样的几何尺寸为3×4×30mm。试条的四条侧棱被抛去。

二、讨论

为了叙述方便，我们以后把添加1%氧化钇的氮化铝陶瓷简称为1Y试样，添加2%氧化钇的氮化铝陶瓷简称为2Y试样，添加3%氧化钇的氮化铝陶瓷简称为3Y试样，添加4%氧化钇的氮化铝陶瓷简称为4Y试样。

①氮化铝陶瓷的烧结性 实验结果表明，当氧化钇添加量大于等于1%后，氮化铝陶瓷能烧结致密，氧化钇添加量小于1%难以烧结致密。当氧化钇添加量大于3%后，烧结密度有所下降。这是由于当氧化钇小于1%时，高温时产生的液相太少，不能填充满氮化铝粉末之间的气孔；当氧化钇大于3%时，由于冷却过程中晶界中的玻璃相析出大量的钇铝石榴石（简称YAG，下面将详细讨论），YAG在晶界和晶界交汇处的析出，由于YAG与玻璃相的热膨胀系数相差较大[1][2]，随着冷却过程的进行，伴随产生大量的裂纹，出现大量的孔隙，致使试件密度下降，材料强度也随氧化钇的增加而下降，这与氮化铝陶瓷的强度的实验结果相一致[3]。②氮化铝陶瓷的显微结构及相组成将试样在氮气箱中折断，然后在XPS仪上对新鲜断面进行面扫描。从各试样元素全分析图谱中看出，试样中只存在Al、N、O、Y、W、C六种元素。对各试样进行了X-ray衍射图谱分析，X-ray衍射测试条件：仪器D/max，ⅢA，40kv/30mA，CuKα，Ds/ss：，Rs：0.15mm。从各试样的X-ray衍射图谱归纳出各试样的矿物组成如下表所示。

由表看出，添加氧化钇的氮化铝陶瓷的主晶相是AlN，还有少量钇铝石榴石晶体（简称YAG）异相存在。AlN原料粉末颗粒表面在空气中会产生氧化，生成一层氧化物薄膜。对AlN粉末颗粒表面的O、Al、N、三种元素在XPS仪上作了定量分析，分析结果表明，Al元素的原子百分比为46.53%，N的原子百分比只有3.18%，O的原子百分比为50.29%。这些结果告诉我们，AlN粉末颗粒表面生成的氧化物是及少量氧氮化铝非计量化合物。从-相图中看出，与在1800℃左右开始产生液相，YAG在1900℃熔化。在烧结温度1900℃下，AlN颗粒间除较大颗粒的WC外，应全是液相，细小的WC颗粒也熔解于液相中，在高温下，液相的铝离子扩散到未熔解的WC颗粒中形成含W杂质。含W杂质分散在AlN颗粒间的液相中，冷却后存在于晶界的玻璃相中，这与氮化铝陶瓷显微图的结果相符。液相在烧结温度下能产生流动，填充气孔和AlN颗粒之间。在冷却过程中，在气孔处（冷却后的晶界交汇处）和较宽的AlN颗粒间隙处的液相析出YAG晶体。而在紧密相连的AlN颗粒间的液相，受到较大的AlN颗粒表面原子的牵制力，析晶成核活化能高，不能析出YAG晶体，冷却后以玻璃态形式存在于晶界。YAG的析晶反应式为：。1Y、2Y试样由于YAG含量太低，X-ray衍射图谱上没有YAG衍射峰存在。但对1Y试样的TEM照片（下图）中B点异相物的电子衍射结果表明，B点异相物含Al和Y元素，参照X-ray衍射分析，可以推断B点的异相物为YAG。各试样断面的Y元素分布图显示，Y元素有明显的浓聚现象，并且浓聚团对应于同一断面形貌图中的灰白色晶体。这些灰白色晶体分布在晶界交汇处。参照X-ray分析，可以断定这些灰白色晶体为YAG。1Y常温试样由于含YAG很少，它的Y元素分布图中没有浓聚现象。从图中看出，添加氧化钇的氮化铝陶瓷除了在晶界交汇处有粗大的异相物YAG存在外，在晶界和晶粒内部有细小的异相物（图中的A处）存在。TEM电子衍射结果表明，这些细小的异相物含有Al和W元素。我们不妨称它们为含W异相物（或含W杂质）。W元素是磨料时WC研磨体磨损带入的，各试样的W含量几乎相等。各试样中W元素在EP仪上的记数值在Cps=35-40之间，半定量结果表明，W元素只占总质量的0.53%。磨损带入的WC微粒，由于非常细小，粘附在AlN原料颗粒表面，故含W杂质主要分布于晶界。对同一断面的W及C元素的分布观察表明，两者的分布是重合的，说明W元素是以WC形式存在。从W元素分布观察表明，两者的分布是重合的，说明W元素是以WC形式存在。从W元素分布图。

中看出，W元素较均匀分布于晶界，只有很细小的浓聚粒。这些很细小的浓聚粒对应于含W杂质。通过W元素的分布，我们也知道C元素也是较均匀地分布在晶界。

试样断面元素分布观察表明，Al、N元素密集地分布于整个平面。元素全分析结果表明，试样中只存在Al、N、O、W、C六种元素。通过上面的分析我们得知：晶界的元素有Al、N、Y、O、W、C。

三、结论

当氧化钇的添加量大于等于1%后，AlN陶瓷能烧结致密，氧化钇的添加量小于1%难以烧结致密。当氧化钇的添加量大于3%后，烧结密度有所下降。

常温下添加氧化钇的氮化铝陶瓷的相组成是：AlN、YAG、含W杂质，玻璃相。玻璃相的成分是：Al-N-O-W-C。显微结构是：AlN为主晶相，晶界是玻璃相。YAG分布在晶界交汇处和较宽的AlN晶粒间隙，含W杂质分散在晶界的玻璃相中。

参考文献

[1][日]电子陶瓷 昭和62年2月 85，3月号.

[2]赵书文 YAG晶体热线性膨胀特性 激光与红外 1984年04期.

[3]李凝芳等 添加氧化钇的氮化铝陶瓷的高温强度 武汉工业大学学报 1991年第3卷.