背景介绍
导弹天线罩作为导弹制导系统重要组成部件,必须同时满足透波、承载、防热、抗冲击等多种功能要求。多孔氮化硅(Si3N4)陶瓷中特殊的棒状晶组织结构,使其材料性能具有低密度、高强度、耐高温、低介电常数等优点,经封孔涂层处理后制备的导弹天线罩,成为新型导弹配套天线罩的重要候选材料。国内多家科研单位针对多孔氮化硅陶瓷透波材料的制备和性能研究开展了研究工作。研究发现,在α-Si3N4粉原料中加入纤维状α-Si3N4粉制备多孔氮化硅陶瓷材料,有利于减小烧结收缩率和提高样品气孔率。
近日,上海玻璃钢研究院有限公司的高级工程师赵中坚沿着该思路,以纯纤维状α-Si3N4粉为主要原料,通过添加一定比例氧化物烧结助剂,经冷等静压成型和气氛保护无压烧结工艺烧结制备出了能充分满足高性能导弹天线罩使用要求的多孔氮化硅陶瓷。
图文导读
图1为制备原料纤维状氮化硅粉的形貌图。从图中可见,氮化硅粉微观形貌呈细长的纤维状,长约5 μm-8 μm,宽约0.5 μm,并存在少量长约10 μm,宽约3 μm的粗大颗粒。其化学组成见表1。
图1 纤维状Si3N4粉原料SEM照片
表1 氮化硅粉化学组成
01
氧化钇粉颗粒度对材料性能影响
氮化硅作为一种强共价键化合物难以实现烧结,但是可通过加入氧化物烧结助剂促进烧结。图2为氮化硅材料强度随氧化钇粒径(5.80 μm, 3.15 μm, 1.78 μm, 0.97 μm, 0.65 μm)的变化趋势。从图中可以看出,随着氧化钇粉的D50由5.80 μm减小至0.65 μm,多孔氮化硅材料强度由65.8 MPa增至123.2 MPa,而且随着氧化钇粒径变小,材料强度增加的速度有加快的趋势。
图2 Y2O3粉粒径对氮化硅陶瓷材料强度的影响
图3为添加不同粒径氧化钇粉制备的多孔氮化硅陶瓷材料的SEM照片,可以看出,随着氧化钇粉粒径由粗变细,烧结后的氮化硅陶瓷微观组织形貌由粗短的棒状晶逐渐变为细长的棒状晶。随着其颗粒度变小,β-Si3N4棒状晶的长径比增加,高长径比能使互相连接的长颗粒能较好地抵抗裂纹的扩展,导致烧结材料强度增加。
图3 不同粒径Y2O3制备多孔氮化硅陶瓷SEM照片:(a) 5.80 μm;(b) 3.15 μm;(c) 1.78 μm;(d) 0.97 μm;(e) 0.65 μm
02
氮化硅颗粒度对材料性能的影响
只有严格控制原料粒径大小,才能在烧结过程中制备出粒径分布均匀,长径比高的棒状β-Si3N4。表2列出了采用不同颗粒度氮化硅原料所制多孔氮化硅陶瓷的弯曲强度和密度、气孔率。结合表2和图4可知,随着颗粒度由0.37 μm增至0.85 μm,材料密度由1.83
g/cm3降至1.48 g/cm3,气孔率由42.7%增至53.2%,材料弯曲强度呈先增加后降低的趋势。
表2 不同颗粒度氮化硅粉制备多孔氮化硅陶瓷对比试验
图4 料浆颗粒度对多孔氮化硅陶瓷材料性能影响
图5为四种不同颗粒度料浆制备的多孔氮化硅陶瓷SEM照片,可以看出,1#样品呈粗短棒状晶相互搭接状,棒状晶长径比约为3-5之间,2#、3#、4#样品微观形貌呈细长棒状晶交织状,棒状晶长径比明显增加,约为10-15之间。
图5 不同颗粒度料浆制备多孔氮化硅陶瓷SEM照片:(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#
03
煅烧温度对多孔氮化硅陶瓷性能的影响
在不同煅烧温度制备多孔氮化硅陶瓷样品,并测试其弯曲强度、密度、气孔率,测试结果见表3,从数据可见,随着煅烧温度的升高,材料弯曲强度有明显提高,从78.7 MPa提高至164.4 MPa,而材料密度和气孔率没有显著变化,四个样品的密度分布在1.74 g/cm3-1.80 g/cm3较窄的范围内波动。
表3 不同煅烧温度对氮化硅陶瓷性能影响
图6为不同煅烧温度制备的多孔氮化硅陶瓷XRD图谱。从图6可见,1710 ℃烧结样品中含有少量α-Si3N4相,当煅烧温度大于1730 ℃时,样品中α-Si3N4完全转变为β-Si3N4相,并含有极少量的Y2Si2O7相。
图6 不同煅烧温度制备多孔氮化硅陶瓷XRD图谱
图7为不同煅烧温度制备多孔氮化硅陶瓷SEM照片。从图中可以看出,四个样品的微观组织形貌有明显的差异。煅烧温度对β-Si3N4晶体的生长形态有显著的影响,煅烧温度大于1750 ℃时,β-Si3N4晶体主要呈棒状发育,有利于制备低密度、高强度多孔氮化硅陶瓷。
图7 不同煅烧温度制备多孔氮化硅陶瓷SEM照片:(a) 5#;(b) 6#;(c) 7#;(d) 8#
04
多孔氮化硅陶瓷介电性能
材料介电性能是决定其能否满足导弹天线罩性能要求的关键性能参数,测试结果见表4。从表4数据可以看出,随着多孔氮化硅陶瓷材料密度增加,其气孔率显著降低,介电常数基本呈线性增加。弯曲强度主要受其微观组织结构的影响,通过控制制备工艺参数,调节材料微观组织结构,提高β-Si3N4棒状晶长径比,可实现低密度、低介电、高强度多孔氮化硅陶瓷的制备,满足高性能导弹天线罩使用要求。
表4 多孔氮化硅陶瓷介电性能测试数据
结论
(1) 烧结助剂Y2O3的颗粒度大小对多孔氮化硅陶瓷烧结性能有明显影响,试验结果显示,随着氧化钇粉平均颗粒度D50由5.80 μm减小至0.65 μm,多孔氮化硅材料强度由65.8 MPa增至123.2 MPa。
(2) 对于纤维状氮化硅原料,随着颗粒度由0.37 μm增至0.85 μm,材料密度由1.83g/cm3降至1.48g/cm3,气孔率由42.7%增至53.2%,材料弯曲强度呈先增加后降低的趋势。
(3) β-Si3N4棒状晶长径比是影响多孔氮化硅陶瓷力学性能和介电性能的重要因素,通过控制制备工艺提高β-Si3N4棒状晶长径比,制备了弯曲强度为154.53 MPa、密度为1.54 g/cm3、气孔率为52.0%、介电常数为3.28的多孔氮化硅陶瓷,可满足高性能导弹天线罩使用要求,并可根据使用要求实现对材料性能的可调控设计。
审核编辑 :李倩
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评估各种清洗技术的典型方法是在晶片表面沉积氮化硅(Si,N4)颗粒,然后通过所需的清洗工艺处理晶片。国家半导体技术路线图规定了从硅片上去除颗粒百分比的标准挑战,该挑战基于添加到硅片上的“>
发表于 05-25 17:11
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陶瓷天线是一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。
发表于 07-05 18:21
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在半导体湿法蚀刻中, 热磷酸广泛地用于对氮化硅的去除工艺, 实践中发现温下磷酸对氮化硅蚀刻率很难控制。 从热磷酸在氮化硅湿法蚀刻中的蚀刻原理出发, 我们华林科纳分析了影响蚀刻率的各个因素, 并通过
发表于 08-30 16:41
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。而氮化硅陶瓷板在各方面比较均衡,也是综合性能最好的结构陶瓷材料。因此,Si3N4氮化硅在电力电子器件陶瓷基板制造领域具有很强的竞争力。 过去,电路基板是由分立元件或集成电路与分立元件组合而成的平面材料,以满足整
发表于 10-07 10:22
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Y8T280的铌酸锂波导与Y8T273的铌酸锂波导,结构不一样。273的波导损耗略大一些。280用了氮化硅来替代273中脊型波导的“脊”,可降低损耗。
发表于 10-08 09:48
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。但是,作为绝缘体安装在陶瓷基板上的半导体元件是散热还是冷却,提高作为热传导介质的氮化硅陶瓷基板的热传导性是主要问题。
发表于 10-13 16:29
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铜金属化过程中,氮化硅薄层通常作为金属层间电介质层(IMD)的密封层和刻蚀停止层。而厚的氮化硅则用于作为IC芯片的钝化保护电介质层(Passivation Dielectric, PD)。下图显示了
发表于 10-17 09:29
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多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料,是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的存在促进了物质运输效率的提高,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子/分子的作用。
发表于 11-06 21:50
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如今高导热氮化硅陶瓷基板因其优异的机械性能和高导热性而成为下一代大功率电子器件不可缺少的元件,适用于复杂和极端环境中的应用。在这里,我们概述了制备高导热氮化硅陶瓷的最新进展。
发表于 11-10 10:01
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2022年9月,威海圆环先进陶瓷股份有限公司生产的行业标准规格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高导热氮化硅陶瓷基板已经达到量产规模,高导热氮化硅陶瓷基板各项理化指标到了国际上行业领军的质量水平,突破了西方先进国家在高导热氮化硅陶瓷基板的技术保护和应
发表于 11-11 16:36
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针对越来越明显的大功率电子元器件的散热问题,主要综述了目前氮化硅陶瓷作为散热基板材料的研究进展。对影响氮化硅陶瓷热导率的因素、制备高热导率氮化硅陶瓷的方法、烧结助剂的选择、以及氮化硅陶瓷机械性能
发表于 12-06 09:42
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综合上述研究可发现,虽然烧结方式不一样,但都可以制备出性能优异的氮化硅陶瓷。在实现氮化硅陶瓷大规模生产时,需要考虑成本、操作难易程度和生产周期等因素,因此找到一种快速、简便、低成本的烧结工艺是关键。
发表于 12-06 10:30
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优点,广泛应用于电子器件封装。 由于具有优异的硬度、机械强度和散热性,氮化硅陶瓷和氮化铝陶瓷基板都可以制成用于电子封装的陶瓷基板,同时它们也具有不同的性能和优势。以下就是区别。 1、散热差异 氮化硅陶瓷基板的导热
发表于 12-09 17:18
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从电气上根据天线辐射波的入射角分为垂直入射天线罩和大入射角天线罩。辐射波射线与罩壁法线的夹角为入射角。入射角小于30°的称垂直入射天线罩。
发表于 01-02 07:06
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利用材料特性进行有利组合,硅、铝和钛的氮化物(nitrides)以及碳化硅(siliconcarbide)和其他陶瓷越来越多地应用于MEMS制造中。
发表于 01-15 10:02
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氮化铝陶瓷具有优异的电性能和热性能,被认为是最具有前途的高热导陶瓷基片材料。为了封装结构的密封,元器件搭载及输入、输出端子的连接等目的,氮化铝陶瓷基板表面及内部均需要金属化。
发表于 02-07 10:01
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来源:《半导体芯科技》杂志 12/1月刊 现今,氮化硅(SiN)为光子集成提供了更多的途径,包括新的200mm、高产量、汽车级CMOS生产线。在过去的几年里,SiN紧随确立已久的硅光子学之后,该材料
发表于 02-10 17:10
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氮化镓纳米线是一种基于氮化镓材料制备的纳米结构材料,具有许多优异的电子、光学和机械性质,因此受到了广泛关注。氮化镓材料是一种宽禁带半导体材料,具有优异的电子和光学性质,也是氮化镓纳米线的主要材料来源。
发表于 02-25 17:25
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国产氮化硅陶瓷基板升级SiC功率模块,提升新能源汽车加速度、续航里程、轻量化、充电速度、电池成本5项性能优势
发表于 03-15 17:22
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氮化硅研磨环由于研磨环存在内外气压差,可以在密闭的真空或者很浓密的场景中快速的上下运动,氮化硅磨介圈在大的球磨机里不仅起到研磨粉碎的作用,更重要的是众多的氮化硅磨介圈环会发生共振现象,氮化硅磨介圈
发表于 03-31 11:40
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氮化硅基板是一种新型的材料,具有高功率密度、高转换效率、高温性能和高速度等特点。这使得氮化硅线路板有着广泛的应用前景和市场需求,正因为如此斯利通现正全力研发氮化硅作为基材的线路板。
发表于 04-11 12:02
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目前,常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)、碳化硅(SiC)等。那么,谁才是最有发展前途的封装材料呢?
发表于 04-13 10:44
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的制备与性能研究【1、衢州职业技术学院机电工程学院2、重庆大学机械与运载工程学院】多壁碳纳米管/聚丙烯纳米复合材料的制备与性能研究多壁碳纳米管/聚丙烯纳米复合材料
发表于 06-13 17:31
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关键词:六方氮化硼纳米片,TIM热界面材料,5G新材料,低介电新材料摘要:随着微电子行业的不断发展,高性能导热材料引起了人们的广泛关注。六方氮化硼(h-BN)是制备电绝缘、高导热复合材料的重要原料
发表于 10-09 18:04
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摘要:为了系统地了解氮化硼在填充聚合物导热复合材料中的应用研究现状,介绍了聚合物/氮化硼复合材料的导热机理,综述了氮化硼的粒径、含量、表面改性以及与其他填料杂化复合等因素对聚合物复合材料导热性能
发表于 11-16 20:41
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的要求,传统的陶瓷基板如AlN、Al2O3、BeO等的缺点也日益突出,如较低的理论热导率和较差的力学性能等,严重阻碍了其发展。相比于传统陶瓷基板材料,氮化硅陶瓷由于
发表于 12-03 17:54
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