微弧氧化Al2O3/AlN陶瓷层制备及绝缘—导热性能研究

作     者：赵奔 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白力静;寇钢

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：微弧氧化 Al2O3/AlN 阶段负向脉冲升压 变频脉冲 绝缘-导热性能 

摘      要：铝合金表面原位生长Al2O3陶瓷层,有效改善了 PCB铝基板界面对绝缘和热导率的影响。但基于微弧氧化陶瓷层的生长机理,孔隙的存在不可避免,因此,其绝缘和导热性能低于常见的烧结陶瓷层。基于此,本文通过在电解液中添加铵盐,同时采用阶段式负向升压方式、不同生长阶段陶瓷层变频生长来制备低孔隙率、高导热、绝缘的Al2O3/AlN陶瓷层,以期改善微弧氧化技术在铝基板上的应用。研究结果表明:随着铵盐含量增加,Al2O3/AlN复合陶瓷层的热导率明显提高。纯Al2O3陶瓷层室温下为59.23 W/m·K,当铵盐含量为5%、10%以及20%时,复合陶瓷层的导热系数分别提高了 12.48%,15.80%以及37.23%。Al2O3/AlN陶瓷层中AlN相含量越高,在450℃下陶瓷层的导热系数降低的越小,热量更容易进行传导:铵盐的添加会降低复合陶瓷层的绝缘性能,相比较于Al2O3试样,试样的绝缘电阻最高降低15.65%,但仍在2400MΩ以上综合陶瓷层的绝缘和导热性能,铵盐为10%时为最佳添加量。恒负向加压模式可提高微弧氧化陶瓷层的绝缘性能,但因为微弧氧化陶瓷层生长时放电强度时不断增大,恒负向加压方式会导致陶瓷层生长能耗过大。本研究将陶瓷层表面弧光分为银白弧、桔黄、橙红三个击穿能量不同的阶段,以绝缘性能为判据,最终优化出制备20μm陶瓷层负向最优匹配升压参数为0→20 V、20→36 V、36V→60V阶段负向升压方式,此时制备的陶瓷层绝线电阻为2578MΩ,优于恒负向90 V下制备Al2O3/AlN陶瓷层的2536MΩ。制备相同厚度陶瓷层的能耗降低了 11.34%。微弧氧化陶瓷层生长时,脉冲放电能量不断增加,若采用脉冲关断时间恒定的定频模式,热量和冷却的不匹配导致陶瓷层气孔增加和延长制备时间。本次研究在以上三个不同能量阶段分别选取462μs,667μs及800μs脉冲关断时间,采用变频制备20μm陶瓷层,总氧化时间从原有的22min降低到16min,陶瓷层的制备效率提高27.3%.采用变频及阶段负向升压方式制备20μm的Al2O3/AlN陶瓷层,热导率提高了 4.75%，Weibull击穿电压(E0)为723V,比优化前提高了 9.21%,而形状因子λ为11.701,离散程度降低了 56.31%,提高了陶瓷层绝缘性能的可靠性。陶瓷层性能的改变主要是由于制备工艺改善了孔径大小和孔隙率的原因,优化后陶瓷层中平均孔径从0.49μm降低至0.34μm,孔隙率从25.49%降低至16.53%。