中科院研究團隊DLP技術打印AlN陶瓷

供稿人:王程冬 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

氮化鋁（AlN）具有很高的理論熱導率（319 W /（m·K））,具有良好的電絕緣性，低的熱膨脹系數(shù)和較高的機械強度，是一種在散熱器和微電子應用的有廣泛前途的陶瓷材料。DLP技術可以制造具有微小結構的小型組件，中科院研究團隊基于此種技術打印AlN陶瓷并對其導熱性和力學性能進行了探究。

研究團隊將AlN粉末和Y2O3粉末分散在光敏樹脂中，加入觸變劑并球磨來制備55vol％的高固相低粘度的陶瓷漿料，在500℃下脫脂，在1780℃—1845℃間不同溫度燒結，圖1所示為1845℃燒結的零件，圖1（a）顯示了兩個帶螺紋的小零件。 從圖1（d）,（e）和（f）中可以明顯看出，在這兩個小部分中具有漸變尺寸和恒定尺寸的微米級螺紋和凹槽。其表面是光滑的，凹槽邊緣沒有毛刺，圖1（b）和（c）中為具有不同尺寸的坩堝和基底。

圖1 AlN陶瓷的宏觀圖像和相應的顯微圖像：（a）帶有螺紋的小零件，（b）不同尺寸的坩堝，（c）基底，（d）是（a）中的A的高倍率圖像，（e）是（a）中的B的高倍率圖像和（f）是（a）中的C的高倍率圖像

圖2（左）中 AlN陶瓷的導熱率從82 W /（m·K）變化到155 W /（m·K），并且隨著燒結溫度的升高而增加。隨著溫度的升高，樣品的密度增加，孔隙率降低。因此，研究人員認為AlN-1845的最高導熱率可歸因于致密化過程中明顯降低的晶界和點缺陷。彎曲強度在139MPa至265 MPa范圍內，并隨溫度的升高而增加。

圖2不同溫度下燒結的AlN陶瓷的熱導率（左）不同溫度下燒結AlN陶瓷的彎曲強度（右）

本文研究團隊使用DLP 技術和熱處理結合工藝成功實現(xiàn)具有高導熱性和高抗彎強度的近凈成形的AlN陶瓷制造，研究了溫度對AlN陶瓷相變，微觀結構，導熱性能和彎曲性能的影響。這項工作中采用的方法可以進一步應用以制備其他具有復雜形狀的功能陶瓷，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：
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