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陶瓷材料是人類生活和生產中不可缺少的一種材料，陶瓷材料是天然或合成化合物經過成型和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料，具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點，可用作結構材料、功能材料。

氮化鋁陶瓷（AlN）

隨著新能源行業的發展，半導體器件在風力發電、電動汽車等新能源行業的應用中占據日益重要的地位。半導體器件的功率和頻率更高，集成規模也越來越大。與傳統的樹脂基片材料相比，氮化鋁（AlN）陶瓷材料具有較大溫度范圍內使用無異常、導熱系數高、硬度大、耐腐蝕等優點，是優質半導體器件的最佳材料。AlN陶瓷材料可應用到封裝體中以擴散熱量，降低器件的工作溫度，提高封裝體的使用性能和穩定性。AlN是一種具有六方纖鋅礦結構的III-V族強共價化合物，其結構單位為[AlN4]四面體，即晶包中每個Al原子被4個N原子包圍，其晶體結構如圖所示。

圖1：AlN晶體結構

AlN熔點高，原子自擴散系數小，因此，純凈的AlN粉末在通常的燒結溫度下很難燒結致密，而致密度不高的材料很難具有高的熱導率。因此，要制備高熱導率的AlN陶瓷，在燒結工藝中，需要解決兩個問題：一是提高材料致密度，二是盡量避免氧原子熔入AlN晶格中。最常見的AlN粉體燒結方式是無壓燒結。它是指正常壓力下，具有一定形狀的陶瓷素坯在高溫下經過物理化學變化過程變為致密、堅硬、體積穩定的、具有一定性能的燒結體過程。因此，陶瓷材料的燒結工藝直接影響陶瓷產品的顯微結構，如晶粒尺寸與分布、氣孔率等參數進而影響陶瓷產品的使用性能。

隨著納米材料的興起，其較強的小尺寸效應、表面效應使得晶粒的表面能增加，燒結活性增強，從而可以顯著提高燒結速度，使微觀結構均勻一致，極大改善材料的性能。比如摻入微量的Y2O3，在燒結過程中，可以有效地降低納米粉體的晶粒尺寸，并能改善粉末的分散度，降低燒結溫度，提高燒結速度，還可實現材料的近全致密化。

圖2： 燒結助劑Y2O3粉體的微觀結構，（上）二次球結構，（下）一次顆粒的微觀結構

圖2為 Y2O3粉體的微觀結構，其是由大量的一次顆粒組成的類球形結構，一次顆粒之間存在較大氣孔，致密度較低，經高倍放大后，觀察到一次顆粒的表面存在許多燒結過程中產生的生長臺階。

圖3：燒結成型的AlN陶瓷微觀結構（其中白色顆粒為燒結助劑Y2O3）

圖3為添加燒結助劑Y2O3燒結后的AlN陶瓷瓷片，晶粒堆積緊密，致密度較高，但晶粒的尺寸分布不均，Y2O3顆粒充分填充于AlN晶粒之間，提高了陶瓷的致密度，從而進一步改善其熱導性能。

鈦酸鍶陶瓷（SrTiO3）

鈦酸鍶（SrTiO3）陶瓷介電損耗小，熱穩定性好，是一種優良的電子陶瓷材料，廣泛應用與高壓電容器、晶界層電容器、壓敏電阻、熱敏電阻等電子元件，具有高性能、高可靠性、體積小等優點。SrTiO3電子陶瓷一般是以固相法合成，經燒結成型后所得，因此燒結工藝參數對陶瓷的顯微結構具有顯著影響，如燒結溫度對晶粒尺寸、相組成、氣孔的形貌和數量等，進一步影響材料的介電性能。過高的溫度使陶瓷晶粒過大、致密性差，還會促進二次結晶，材料的強度等性能降低，溫度較低則導致晶粒發育不完全。

圖4：鈦酸鍶陶瓷的微觀結構

圖4中的SrTiO3陶瓷晶粒取向通過掃描電鏡的背散射探測器清晰呈現出來，晶粒之間沒有較大的氣孔存在，并且表面生長的臺階清晰可見。

氧化鋁陶瓷（Al2O3）

應用到新能源行業的另一類陶瓷是氧化鋁（Al2O3）陶瓷，Al2O3是一種無機氧化物，也是一種惰性材料。作為陶瓷涂層涂覆到鋰電池中的隔膜上，可以起到耐高溫、絕緣的作用，防止隔膜因電池內部溫度過高熔化而導致的短路，避免可能因此發生的火災爆炸。隔膜表面的Al2O3陶瓷涂層以及截面的微觀結構如圖5所示，陶瓷顆粒之間并未緊密堆積，而是形成，分布均勻的微孔結構，對鋰離子在正負極之間的轉移起到促進作用，同時在負極材料與隔膜之間形成一道屏障，防止鋰枝晶穿透隔膜導致的內部短路問題。

圖5：隔膜的Al2O3陶瓷涂覆層微觀結構以及截面結構

實驗設備：

賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2

參考文獻：

1、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展[J]。材料科學,2021,11(7): 848-854。

2、肖水清，李毫亮。Y2O3的特性及其陶瓷燒結機制研究[J]。現代物理，2012,2,70-75。

3、Anil V.Virkar,T.Barrett Jackson,Raymond A.Cutler,Thermodynamic and kinetic effects of oxygen removal on the thermal conductivity of Aluminum Nitride.J.Am.Ceram.Soc.,1989,72[11]2031-42。

4、張瑞珠，馮家赫，李炎炎，馬淑云，高純氧化鋁涂覆層對鋰電池聚乙烯隔膜的影響[J]，表面技術，2021,50（9），162-168。