论文摘要
AlN／BN复相陶瓷综合了AlN、BN材料的优点，具有高热导率、高绝缘、低介电损耗、介电常数小、耐高温、耐腐蚀、抗热震、可以机加工等一系列优良特性。AlN、BN同属共价键化合物，其单相陶瓷以及两者的复相陶瓷的烧结制备都是技术难题。本文通过原位化学反应合成AlN／nano-BN复合粉末，引入适量的烧结助剂后，进行放电等离子烧结（SPS），重点研究AlN／nano-BN的SPS烧结过程与致密化机理，探讨AlN／nano-BN复相陶瓷的显微结构和BN含量与其力学性能、电学性能之间的关系。以硼酸和尿素作为原料，在600℃、高纯N2气氛下原位合成反应12h得到nano-BN均匀包覆在AlN颗粒表面的AlN／nano-BN复合粉末。AlN／nano-BN的SPS烧结过程可以分为三个阶段：1500～1600℃为烧结初期；温度高于1600℃后，烧结助剂Sm2O3与Al2O3在低共熔温度下形成液相，加速了传质过程，呈现快速致密化特征，为烧结中期；试样致密化过程在1700℃之后基本结束，为烧结末期。研究还表明，烧结温度的升高有利于复合粉体的致密化，温度高于1700℃时，所有AlN／nano-BN试样均能实现高致密化，相对致密度达到或超过98.5％。原位合成的AlN／nano-BN复合粉末中，nano-BN以涡流状t-BN的形式存在，并在SPS烧结时转化为层状结构的h-BN。SPS烧结的AlN／nano-BN复相陶瓷显微结构均匀、致密。Nano-BN的引入使AlN／nano-BN复相陶瓷的显微结构更加精细，晶相之间的结合更加紧密，避免了直接引入h-BN软质相对力学强度产生的不利影响，提高了复相陶瓷的力学强度。含30vol％nano-BN试样的抗弯强度与AlN单相陶瓷相当。当nano-BN含量为10vol％时，其抗弯强度达到347MPa。随着nano-BN含量的增加，AlN／nano-BN复相陶瓷的弹性模量和断裂韧性均呈下降趋势。AlN／nano-BN复相陶瓷的介电常数和介电损耗随nano-BN含量的增大而变小，复相陶瓷同时显示出良好的绝缘性，体积电阻率达到1012-1014Ω·cm量级。