Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства теплопроводящей
керамики на основе нитрида алюминия, полученной по технологии искрового
плазменного спекания
Введение 10
1. Литературный обзор 12
2. Методики проведения экспериментов и исследований 16
2.1 Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель 16
2.1.1 Устройство и принцип действия КМПУ 16
2.2 Подготовка порошкового материала 21
2.3 Установка по спеканию порошковых материалов SPS-10-4 23
2.4 Шлифование и полирование образцов 24
2.5 Определение плотности полученных образцов 26
2.6 Рентгеноструктурный анализ Shimadzu XRD 7000S 27
2.7 Микроскопия. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) Hitachi
TM3000 28
2.8 Измерение теплопроводности материалов 29
2.8.1 Работа с DLF-1 32
2.8.2 Проведение эксперимента на системе Discovery DLF-1 32
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 39
4.1. Оценка коммерческого и инновационного потенциала НТИ 39
4.2. Планирование процесса управления НТИ: структура и график
проведения, бюджет, риски и организация закупок 44
4.3. Определение ресурсной, финансовой, экономической эффективности ... 46
Заключение 53
Объектом исследования является порошковый материал нитрид алюминия и
плотная модифицированная теплопроводящая керамика.
Цель работы – Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства
теплопроводящей керамики на основе нитрида алюминия, полученной по технологии
искрового плазменного спекания.
В процессе исследования проводились эксперименты по плазмодинамическому
синтезу ультрадисперсных порошков нитрида алюминия, проводились исследования
режимов спекания нитридной керамики с введением различных модифицирующих
добавок, проводились аналитические исследования и оценка теплопроводящих
свойств.
В результате проведенных исследований установлено, что введение в состав
микронного коммерческого порошка нитрида алюминия ультрадисперсной фракции,
полученной по плазмодинамической технологии, в количестве не более 5 %, позволяет
значительно повысить плотность получаемой керамики при одновременном снижении
температуры спекания на 150-200 ºС. Также установлено, что дополнительное
введение до 5% добавки Y2O3 существенно поднимает уровень теплопроводности от
60 до 160 Вт/м К.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные
характеристики: в работе адаптирован плазмодинамический метод под синтез
ультрадисперсного порошка нитрида алюминия – модифицирующей добавки,
снижающей температуру спекания керамики и повышающей уровень физикомеханических характеристик, отработаны режимы искрового плазменного спекания
нитрид алюминиевой керамики с различными модифицирующими добавками,
проведено исследование теплофизических характеристик керамики.
Область применения: благодаря высокой теплопроводности, в настоящее время
наиболее перспективным диэлектрическим материалом для отвода тепла в изделиях
космической техники и в приборостроении в целом является алюмонитридная
керамика в виде подложек для керамических плат.
Экономическая эффективность/значимость работы. В разделе финансовый
менеджмент представлены результаты расчета срока окупаемости, согласно которым
получение теплопроводящей керамики методом искрового плазменного спекания
является быстроокупаемым (4-5 лет) и высокодоходным.
В будущем планируется отработка получения оптимальной шихты с
модифицирующими добавками обладающими повышенным уровнем
теплопроводности.
Данная работа выполнена в рамках САЕ «Экоэнергетика».
С увеличением мощности электронных компонентов, требующих эффективного рассеяния тепла, возникает необходимость разработки материалов с высокой теплопроводностью. Одним из таких материалов является нитрид алюминия. В настоящей работе представлены результаты разработки составов и технологии изготовления керамики из нитрида алюминия.
Теплопроводность кристаллических структур уменьшается с ростом атомного веса элемента. Имеется четыре признака идентификации кристаллов с высокой теплопроводностью: кристалл должен иметь низкий атомный вес, сильную связь между атомами, простую кристаллическую структуру, а также отсутствие дефектов кристаллической решётки и ангармонизма её колебаний.
Известно, что только несколько кристаллов попадают в эту категорию. Большинство кристаллов, обладающих высокой теплопроводностью, имеют алмазоподобную структуру. К этому числу относятся такие материалы, как алмаз, графит, карбид бора, нитрид бора, кремний, карбидкремния, оксид бериллия, нитрид алюминия, фосфид галлия и другие - всего 12 алмазоподобных структур. Причиной низкой теплопроводности спечённого поликристаллического нитрида алюминия является, главным образом, наличие в нём большого количества примесей и растворённого в решётке кислорода, что приводит к рассеянию фононов. Способствовать повышению теплопроводности спечённого нитрида алюминия можно за счёт введения в качестве активирующих спекание и раскисляющих добавок фтористых соединений редкоземельных металлов, углерода или активных металлов. Однако эти методы решения задачи повышения теплопроводности приводят к ухудшению диэлектрических свойств, снижению удельного электросопротивления и важных эксплуатационных характеристик изделий из нитрида алюминия; они недостаточно технологичны, неэкономичны и не позволяют получать высокую теплопроводность керамики.
Кроме того, введение в исходную смесь различных добавок повышает токсичность газообразных выбросов, создаёт сложности в работе печей из-за коррозионного воздействия фторидов, приводит к увеличению стоимости нитрида алюминия.
Таким образом, создание технологичного и экономичного метода получения керамики на основе нитрида алюминия с высокой теплопроводностью возможно при использовании порошка с минимальным уровнем примесей и минимальным количеством активирующих спекание добавок. Это обеспечит высокую плотность и теплопроводность керамики на основе нитрида алюминия.
Целью данной работы является разработка технологии изготовления теплопроводящих подложек из нитрид алюминиевого порошка с высокими теплофизическими и электротехническими характеристиками.
