中科院研究团队DLP技术打印AlN陶瓷

供稿人:王程冬 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

氮化铝（AlN）具有很高的理论热导率（319 W /（m·K））,具有良好的电绝缘性，低的热膨胀系数和较高的机械强度，是一种在散热器和微电子应用的有广泛前途的陶瓷材料。DLP技术可以制造具有微小结构的小型组件，中科院研究团队基于此种技术打印AlN陶瓷并对其导热性和力学性能进行了探究。

研究团队将AlN粉末和Y2O3粉末分散在光敏树脂中，加入触变剂并球磨来制备55vol％的高固相低粘度的陶瓷浆料，在500℃下脱脂，在1780℃—1845℃间不同温度烧结，图1所示为1845℃烧结的零件，图1（a）显示了两个带螺纹的小零件。 从图1（d）,（e）和（f）中可以明显看出，在这两个小部分中具有渐变尺寸和恒定尺寸的微米级螺纹和凹槽。其表面是光滑的，凹槽边缘没有毛刺，图1（b）和（c）中为具有不同尺寸的坩埚和基底。

图1 AlN陶瓷的宏观图像和相应的显微图像：（a）带有螺纹的小零件，（b）不同尺寸的坩埚，（c）基底，（d）是（a）中的A的高倍率图像，（e）是（a）中的B的高倍率图像和（f）是（a）中的C的高倍率图像

图2（左）中 AlN陶瓷的导热率从82 W /（m·K）变化到155 W /（m·K），并且随着烧结温度的升高而增加。随着温度的升高，样品的密度增加，孔隙率降低。因此，研究人员认为AlN-1845的最高导热率可归因于致密化过程中明显降低的晶界和点缺陷。弯曲强度在139MPa至265 MPa范围内，并随温度的升高而增加。

图2不同温度下烧结的AlN陶瓷的热导率（左）不同温度下烧结AlN陶瓷的弯曲强度（右）

本文研究团队使用DLP 技术和热处理结合工艺成功实现具有高导热性和高抗弯强度的近净成形的AlN陶瓷制造，研究了温度对AlN陶瓷相变，微观结构，导热性能和弯曲性能的影响。这项工作中采用的方法可以进一步应用以制备其他具有复杂形状的功能陶瓷，具有广阔的应用前景。

参考文献：
Wenyan Duan,Shan Li,Gong Wang,Rui Dou,Li Wang,Yubei Zhang,Haiqing Li,Huihui Tan. Thermal conductivities and mechanical properties of AlN ceramics fabricated by three dimensional printing[J]. Journal of the European Ceramic Society,2020