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立方氮化硼基多晶材料的制备与功能特性研究
作 者: 王鹏飞
导 师: 李志宏
学 校: 天津大学
专 业: 材料学
关键词: 立方氮化硼 高温高压烧结 多晶材料 功能特性
分类号: TB34
类 型: 博士论文
年 份: 2010年
下 载: 233次
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内容摘要
立方氮化硼(cBN)具有禁带宽度大、热导率高、介电常数小等优良的功能特性,cBN基多晶材料作为陶瓷基板、热沉材料、微波窗口材料等的潜在应用亟待研究与开发。本文在高温高压条件下烧结制备cBN基多晶材料,研究了其微观结构形貌和电、热、光学等功能属性,分析了晶粒、晶界相等对多晶材料的烧结及功能特性的影响,并初步探讨了与cBN基多晶材料形成欧姆接触的银电极制备方法及其表面金属化用低熔玻璃料的一些性质。本论文的主要研究结果如下:1.高温高压条件下由cBN微粉快速烧结可制备具有近紫外发光特性的cBN基多晶材料。Si含量增多,Si-cBN多晶材料的发光强度增大。热处理对纯cBN多晶烧结材料的发光性质影响不大,但显著提高了Si-cBN多晶材料的近紫外发光强度。cBN多晶材料的短波长光发射和光谱振动结构均与cBN晶体的声子作用直接相关。Si在高温高压烧结过程中直接实现了对cBN多晶材料的n型浅掺杂。2. Mg对提高cBN多晶材料的相对密度效果明显,Mg-cBN多晶材料具有低电阻率(处于半导体电阻率范围)和近紫外发光特性。热处理对Mg-cBN多晶材料的表面形貌影响较大,对调整试样内部cBN晶粒形态作用较小;热处理生成的MgO晶体的声子与试样中hBN的声子作用产生声子伴线结构。3. Al与cBN反应生成晶界相AlN和AlB12,能够显著促进Al-cBN多晶材料的烧结,对热导率和光吸收性能影响显著。Al添加量增大,Al-cBN多晶材料的致密度增大,热导率增大,其吸收特性逐渐体现为AlN的吸收特性;晶界相的存在使Al-cBN多晶材料的热导率数值整体较小,使其禁带宽度变窄。4. Al-cBN多晶材料在高电压、高频下具有优良的电学和介电性能。Al-cBN多晶材料具有较高的体积电阻率和良好的高压电阻稳定性,具有与生长-烧结型cBN多晶接近的介电性质及较高的高频介电稳定性。研究得出了Al-cBN多晶材料的I-V之间具有低电压下的二次非线性和高电压下的e指数递增变化规律,Al-cBN多晶材料的介电常数及其与介电损耗之积和气孔率之间都存在e指数递减关系。5.使用导电银胶在cBN多晶烧结试样表面获得较好的欧姆接触;随着cBN基多晶材料中Si含量的增多,其电极接触的欧姆特性逐渐减弱。
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全文目录
中文摘要 3-4 ABSTRACT 4-9 第一章 绪论 9-34 1.1 cBN 的晶体结构和性质 9-19 1.1.1 cBN 的晶体结构 9-10 1.1.2 cBN 的主要性质 10-19 1.2 cBN 单晶、薄膜和多晶材料的研究现状 19-28 1.2.1 cBN 单晶 19-21 1.2.2 cBN 薄膜 21-23 1.2.3 cBN 多晶材料的烧结 23-28 1.3 cBN 基多晶材料的潜在应用 28-32 1.3.1 陶瓷基板 28-29 1.3.2 热沉材料 29-32 1.3.3 微波窗口材料 32 1.4 本课题研究的目的意义及主要内容 32-34 1.4.1 本课题研究的目的和意义 32-33 1.4.2 本课题研究的主要内容 33-34 第二章 实验设计与研究方法 34-49 2.1 研究思路及实验方案设计 34-37 2.1.1 cBN 烧结方式的选择 34-35 2.1.2 添加相的选择 35-37 2.2 实验原料与处理 37-38 2.3 实验仪器与工艺过程 38-42 2.3.1 高温高压烧结设备与工艺 38-41 2.3.2 其它设备 41-42 2.4 实验研究方法 42-49 2.4.1 cBN 粉体性能表征 42 2.4.2 烧结性能测试与表征 42-43 2.4.3 功能特性表征 43-49 第三章 Si 对cBN 多晶材料的高温高压烧结及性能的影响 49-100 3.1 引言 49 3.2 cBN 微粉预处理与高温高压烧结Si-cBN 多晶材料 49-70 3.2.1 cBN 微粉的表征与预处理 49-54 3.2.2 cBN 多晶材料的烧结性能与电性能 54-63 3.2.3 cBN 多晶材料的PL 光谱特征 63-70 3.3 热处理对Si-cBN 多晶材料的微观形貌和体积电阻率的影响 70-78 3.4 热处理对cBN 多晶材料的PL 光谱特征的影响 78-86 3.4.1 热处理后纯cBN 多晶材料的PL 光谱特征 78-82 3.4.2 热处理后Si-cBN 多晶材料的PL 光谱特征 82-86 3.5 Si 对cBN 多晶材料的直接掺杂分析 86-98 3.5.1 Si-cBN 多晶材料中cBN 晶粒的晶格常数变化 86-88 3.5.2 Si-cBN 多晶材料的漫吸收系数与掺杂能级分析 88-97 3.5.3 Si 掺杂cBN 多晶材料的霍尔系数测定与分析 97 3.5.4 Si 直接掺杂与Si 预扩散掺杂的对比 97-98 3.6 本章小结 98-100 第四章 Mg 对cBN 多晶材料的高温高压烧结及性能影响 100-118 4.1 引言 100 4.2 高温高压烧结Mg-cBN 多晶材料的主要性能 100-102 4.3 热处理对Mg-cBN 多晶材料的物理性质的影响 102-112 4.3.1 Mg-cBN 多晶材料热处理后的断面和表面形貌 102-110 4.3.2 Mg-cBN 多晶材料热处理后的相对密度和电阻率 110-112 4.4 Mg-cBN 多晶材料热处理后的表面形貌对其发光性能的影响 112-117 4.5 本章小结 117-118 第五章 Al 对cBN 多晶材料的高温高压烧结及性能影响 118-146 5.1 引言 118 5.2 高温高压烧结Al-cBN 多晶材料的主要性能 118-126 5.2.1 Al 与cBN 微粉的烧结原理及物相分析 118-123 5.2.2 Al-cBN 多晶材料的相对密度 123-124 5.2.3 Al-cBN 多晶材料的显微结构 124-126 5.3 Al-cBN 多晶材料的体积电阻率 126-131 5.4 Al-cBN 多晶材料的热传导性 131-136 5.5 Al-cBN 多晶材料的介电性能 136-140 5.6 Al-cBN 多晶材料的紫外吸收性能 140-145 5.7 本章小结 145-146 第六章 cBN 多晶材料的欧姆接触电极制备与表面金属化用低熔玻璃料研究 146-155 6.1 引言 146-148 6.2 cBN 多晶材料的欧姆接触电极制备 148-152 6.3 厚膜金属化玻璃料对cBN 多晶材料的润湿性 152-154 6.4 本章小结 154-155 第七章 结论 155-157 参考文献 157-172 发表论文和参加科研情况说明 172-173 附录 173-181 致谢 181
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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