稀土氟化物/氧化物烧结助剂对碳化硅陶瓷热导率的影响

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SiC陶瓷由于优异的导热性能和热稳定性,与Si相近的热膨胀系数等优点,可以应用于半导体器件基板材料等工业领域。本文选择α-SiC作为研究材料,针对SiC陶瓷难以烧结致密的缺点,借鉴添加稀土氧化物液相烧结的研究思路,选取了稀土氟化物/氧化物体系为烧结助剂,采用热压的方法对添加不同配比、不同种类的稀土氟化物/氧化物烧结助剂的SiC陶瓷进行烧结,对其致密度、导热性能、物相成分、微观形貌进行测量和表征。通过对比样品成分、性能和结构的不同,得到最佳的性能配比,从而达到对SiC陶瓷致密烧结和提高导热性能的目的。本文首先研究了氟化钇/氧化物体系烧结助剂对SiC陶瓷性能的影响。通过研究YF3的含量和氧化物的种类及含量对样品性能的影响得到:在目前所研究的氟化钇/氧化物体系中,同时添加5 wt%YF3和3 wt%MgO的SiC陶瓷性能最优。XRD和SEM结果表明:添加适量YF3可以除去SiC表面中的氧,而适当的添加氧化物可以通过形成更多的液相促进颗粒重排,使样品达到致密,而热导率的提高需要致密度的提高和除去更多的氧。本文对氟化镧/氧化物体系烧结助剂进行了研究,结果表明:氟化镧/氧化物体系烧结助剂可以提高SiC陶瓷的致密度和热导率,在这个体系中,同时添加5 wt%LaF3和3 wt%MgO的SiC陶瓷性能最优。对SiC陶瓷致密度的提升作用来看,氟化钇/氧化物体系与氟化镧/氧化物体系都可以使样品烧结致密;而对SiC陶瓷热导率的提升作用来看,氟化钇/氧化物体系优于氟化镧/氧化物体系。最终,在氮气气氛、烧结温度为1900℃、压力为50 Mpa、保温保压3 h的条件下,得到的最佳性能参数为致密度98.93%,热扩散系数71.40 mm2/s,热导率154.29W/(m·K)。
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