扫描电镜下的陶瓷材料微观结构

     陶瓷材料是人类生活和生产中不可缺少的一种材料，陶瓷材料是天然或合成化合物经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料，具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，可用作结构材料、功能材料。

     随着新能源行业的发展，半导体器件在风力发电、电动汽车等新能源行业的应用中占据日益重要的地位。半导体器件的功率和频率更高，集成规模也越来越大。与传统的树脂基片材料相比，氮化铝（AlN）陶瓷材料具有较大温度范围内使用无异常、导热系数高、硬度大、耐腐蚀等优点，是优质半导体器件的材料。AlN陶瓷材料可应用到封装体中以扩散热量，降低器件的工作温度，提高封装体的使用性能和稳定性。AlN是一种具有六方纤锌矿结构的III-V族强共价化合物，其结构单位为[AlN4]四面体，即晶包中每个Al原子被4个N原子包围，其晶体结构如图所示。

图1：AlN晶体结构

AlN熔点高，原子自扩散系数小，因此，纯净的AlN粉末在通常的烧结温度下很难烧结致密，而致密度不高的材料很难具有高的热导率。因此，要制备高热导率的AlN陶瓷，在烧结工艺中，需要解决两个问题：一是提高材料致密度，二是尽量避免氧原子熔入AlN晶格中。常见的AlN粉体烧结方式是无压烧结。它是指正常压力下，具有一定形状的陶瓷素坯在高温下经过物理化学变化过程变为致密、坚硬、体积稳定的、具有一定性能的烧结体过程。因此，陶瓷材料的烧结工艺直接影响陶瓷产品的显微结构，如晶粒尺寸与分布、气孔率等参数进而影响陶瓷产品的使用性能。

随着纳米材料的兴起，其较强的小尺寸效应、表面效应使得晶粒的表面能增加，烧结活性增强，从而可以显著提高烧结速度，使微观结构均匀一致，极大改善材料的性能。比如掺入微量的Y₂O₃，在烧结过程中，可以有效地降低纳米粉体的晶粒尺寸，并能改善粉末的分散度，降低烧结温度，提高烧结速度，还可实现材料的近全致密化。

图2： 烧结助剂Y₂O₃粉体的微观结构，（上）二次球结构，（下）一次颗粒的微观结构

图2为 Y₂O₃粉体的微观结构，其是由大量的一次颗粒组成的类球形结构，一次颗粒之间存在较大气孔，致密度较低，经高倍放大后，观察到一次颗粒的表面存在许多烧结过程中产生的生长台阶。

图3：烧结成型的AlN陶瓷微观结构（其中白色颗粒为烧结助剂Y₂O₃）

图3为添加烧结助剂Y₂O₃烧结后的AlN陶瓷瓷片，晶粒堆积紧密，致密度较高，但晶粒的尺寸分布不均，Y₂O₃颗粒充分填充于AlN晶粒之间，提高了陶瓷的致密度，从而进一步改善其热导性能。

钛酸锶（SrTiO₃）陶瓷介电损耗小，热稳定性好，是一种优良的电子陶瓷材料，广泛应用与高压电容器、晶界层电容器、压敏电阻、热敏电阻等电子元件，具有高性能、高可靠性、体积小等优点。SrTiO₃电子陶瓷一般是以固相法合成，经烧结成型后所得，因此烧结工艺参数对陶瓷的显微结构具有显著影响，如烧结温度对晶粒尺寸、相组成、气孔的形貌和数量等，进一步影响材料的介电性能。过高的温度使陶瓷晶粒过大、致密性差，还会促进二次结晶，材料的强度等性能降低，温度较低则导致晶粒发育不完全。

图4：钛酸锶陶瓷的微观结构

图4中的SrTiO₃陶瓷晶粒取向通过扫描电镜的背散射探测器清晰呈现出来，晶粒之间没有较大的气孔存在，并且表面生长的台阶清晰可见。

应用到新能源行业的另一类陶瓷是氧化铝（Al₂O₃）陶瓷，Al₂O₃是一种无机氧化物，也是一种惰性材料。作为陶瓷涂层涂覆到锂电池中的隔膜上，可以起到耐高温、绝缘的作用，防止隔膜因电池内部温度过高熔化而导致的短路，避免可能因此发生的火灾爆炸。隔膜表面的Al₂O₃陶瓷涂层以及截面的微观结构如图5所示，陶瓷颗粒之间并未紧密堆积，而是形成，分布均匀的微孔结构，对锂离子在正负极之间的转移起到促进作用，同时在负极材料与隔膜之间形成一道屏障，防止锂枝晶穿透隔膜导致的内部短路问题。

图5：隔膜的Al₂O₃陶瓷涂覆层微观结构以及截面结构

参考文献：

1、宋志健,刘世凯,黄威,徐天兵,陈颖鑫,孙亚光。氮化铝陶瓷的制备及研究进展[J]。材料科学,2021,11(7): 848-854。

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