Введение к работе
- з-
Актуальность проблемы. Комплекс уникальных свойств, которыми обладает нитрид алюминия, в сочетании с нетоксичностью и относительной дешевизной получения позволяет ему и материалам на его основе находить новые и расширять известные области применения. Большое внимание привлекает его высокая теплопроводность, теоретическое значение которой равно 319 Вт/мК. Это свойство в сочетании с незначительным коэффициентом термического расширения 2,7-10"6 К, близким к КТР кремния, дает возможность эффективно использовать A1N в качестве материала подложек интегральных микросхем в электронной промышленности. Электроизоляционные свойства A1N, которые значительно выше, чем у SiC, АІгОз и ВеО, позволяют применять его в качестве диэлектрических покрытий, а также изготавливать электроизоляционные детали, работающие в агрессивных средах. В технике высоких температур нитрид алюминия используется как огнеупорный материал. Самоармированные поликристаллические материалы на основе A1N могут использоваться как конструкционные, причем их прочностные характеристики сохраняются вплоть до температур 1500-1600С.
Многообразие целевых назначений керамики из A1N позволяет выделить два основных направления ее создания. Первое - это получение теплопроводных, второе - конструкционных матеиалов. Их разработка существенно осложняется отсутствием конкретных представлений о механизмах структурообразования в A1N, и, в частности, механизме поли-типообразования и связанном с ним явлении аномального роста зерен. Поэтому исследование закономерностей, управляющих процессами структурообразования, протекающими в A1N и композитах на его основе при различных условиях получения, представляет большой интерес и является актуальным. Изучение этой проблемы имеет также фундаментальное значение для понимания природы политипизма в A1N и его кристаллографических аналогах с алмазоподобной решеткой.
Цель работы состоит в исследовании структурных особенностей и закономерностей политипообразования в A1N в различных условиях формирования поликристаллических материалов на его основе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
изучение механизмов формирования поликристаллических материалов (на основе технических порошков A1N) при различных условиях их получения;
-
установление роли различных примесей в процессе политипообразования;
-
развитие представлений о природе политипизма в A1N;
4) исследование механизмов структурных превращений, приводящих к формированию самоармированного A1N.
Методы исследований основаны на просвечивающей электронной микроскопии в сочетании с микродифракцией и растровой электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом, также использовались рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализы.
Научная новизна. Установлено, что политипизм в A1N связан с растворением в его решетке примесей, причем именно тех, зарядовая компенсация которых осуществляется путем образования вакансий в одной из подрешеток - катионной или анионной. Определена исключительная роль примеси кислорода в политипообразовании известных материалов на основе A1N. Впервые на примере систем AlN-АЬОз и AIN-SiCh предложен механизм политипообразования в A1N, основанный на упорядочении комплексов, содержащих примесь и вакансию, в базисных плоскостях 2Н решетки. Показано, что стуктура политипов в системах A1N-АЬОз и A1N-Si02 содержит периодически расположенные двухслойные выделения с составами, соответственно, АЬОз и AlSiNO, и расчетной толщиной около 3,24 А, которые вызывают модуляцию параметра "с" 2Н A1N. Установлено, что политипообразование в A1N является необходимым условием получения самоармированных материалов на его основе, и предложен механизм формирования последних.
Практическая ценность. Установлены закономерности структурных перестроек в AlN-материалах, формирующихся с участием политипообразования. Эти результаты позволяют прогнозировать создание нит-ридоалюминиевой керамики различного целевого назначения. Сформулированы основные принципы подбора примесных добавок, а также выбора термодинамических условий для получения материалов конструкционного и теплопроводящего применения. Важный практический интерес представляют полученные в работе данные о влиянии политипообразования на формирование зеренной и субзеренной структуры, что имеет большое значение для создания конструкционных материалов на основе A1N.
Личный вклад. Диссертантом были непосредственно получены все экспериментальные данные по микроструктуре исследованных материалов, она принимала участие в анализе экспериментальных результатов и их теоретической трактовке. Автор рассчитал формульный состав политипов и параметры "с" в системах AlN-АЬОз и AIN-SiCte, теоретически обосновал возможность присутствия в структуре политипов двухслойных выделений с составом АЬОз (AlN-АЬОз) и AIS1NO2 (AIN-SiCte).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзном семинаре "Получение, свойства и применение нитридов" (Рига, 1991 г.), The Second European
East-West Symposium on Materials and Process-Mat.Tech'91 (Finland,1991), Украинско-польском семинаре (Польша, Варшава, 1993), международной конференции "Structure and Properties of the Brittle and Quasiplastic Materials" (Латвия, Рига,1994).
Диссертация выполнена в ИПМ НАН Украины и является составной частью работы по теме 1.6.2.42 "Разработка физико-химических основ создания гетерофазных керамических материалов на основе тугоплавких соединений, способов регулирования их структурного состояния и служебных свойств" (в рамках проблемы 2.23 "Разработка физико-химических основ получения новых жаростойких неорганических материалов") и 4.1/265-1.6.2.240 "Исследование структурных основ первичной рекристаллизации керамических материалов ковалентного типа с различной энергией дефекта упаковки (на примере SiC и A1N)" в рамках проекта ГКНТ Украины "Научные основы перспективных технологий".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 14 таблиц, библиографию из 221 работы.