通过颗粒分级、槽式光固化和激光表面织构实现氮化铝陶瓷的高性能与疏水性

《Materials Chemistry and Physics》：Achieving high performance and hydrophobicity in aluminum nitride ceramics through particle grading, vat photopolymerization, and laser surface texturing

　　粒径分级调节AlN浆料的流变性。DLP制造的AlN陶瓷达到99.06%的高相对密度、503.48 MPa的抗弯强度和163.33 W·m?1·K?1的热导率。这一综合策略使制造的AlN陶瓷在更广泛的热管理应用中展现出潜力。引言氮化铝（AlN）陶瓷是下一代电子系统的有前景材料。其优势包括卓越的热导率、可靠的电绝缘性以及接近硅的热膨胀系数。这些特性使AlN成为微型化、几何复杂、高功率密度应用的理想选择。然而，传统陶瓷制造方法如干压和流延成型存在局限性，包括设计灵活性有限和开发周期长。这些挑战使得难以生产具有复杂三维结构、内部微通道或定制拓扑结构的热管理部件，而这些是现代电子集成系统满足高效紧凑冷却需求所必需的。此外，在高级应用中，如高湿度、多尘户外环境中的通信设备或暴露于冷凝风险中的航空航天电子，散热部件不仅需要高效传热，还必须具备特殊的表面特性。为了解决AlN陶瓷的成型挑战，通过数字光处理（DLP）3D打印的槽式光固化（VPP）提供了一种灵活的处理途径。该技术能够实现无模制造，并具有高设计灵活性和出色的尺寸精度，用于生产复杂的AlN陶瓷。尽管DLP技术具有潜力，但在生产高热导率AlN陶瓷的材料科学和工艺物理方面仍存在重大挑战。研究人员通常采用两种主要方法。一种提高AlN陶瓷性能的方法是优化陶瓷浆料的固含量。Lin等人表明，使用不同的硅烷偶联剂对AlN粉末进行改性，将浆料的固含量提高到了50 vol%。烧结后，所得陶瓷表现出401 MPa的抗弯强度和150 W/mK的热导率。Lin等人表明，添加表面活性剂（KMT3331）显著改善了AlN粉末在树脂中的分散性。这一改善提高了粉末-树脂相容性，并实现了固含量超过60 vol%的低粘度浆料。通过控制烧结过程中的氧气杂质，生产出了具有184 W/mK热导率和458 MPa抗弯强度的复杂形状AlN陶瓷。另一种方法是优化烧结助剂的选用。Sheng等人使用粉末包衣方法改善了AlN悬浮液的流变行为和光固化性能。这种方法使烧结陶瓷具有均匀的微观结构，表现出约400 MPa的抗弯强度。Lin等人以盐的形式掺入烧结添加剂，简化了包衣工艺并改善了固化性能，获得了339 MPa的抗弯强度。然而，许多研究忽视了粒径分布对浆料流变性、固化行为和烧结致密化的基本影响。因此，开发一种优化浆料流变性、固化特性和烧结致密化的粉末工程策略，对于生产高性能DLP打印AlN陶瓷至关重要。这一需求代表了当前研究中的一个关键空白。AlN陶瓷的表面官能化也很重要。激光表面织构（LST）是一种在各种材料（包括陶瓷）上创建精确微结构和纳米结构的有效技术。Mukhopadhyay等人开发了一种单步激光方法，用于在防止水解的同时改变陶瓷AlN基底的润湿性。该方法包括激光束扫描，然后是传统的表面润湿性改性，提供了一种快速、精确且可扩展的方法来调节润湿性。这通过在表面形成一层稳定的氧化铝（AlOx）薄层来保护下层AlN基底的完整性并防止水解。这种钝化层保护陶瓷免受水暴露，正如在修改后的表面上将水滴留在高温下长时间的实验所展示的那样。Nedyalkov等人使用Nd:YAG激光在基频下研究了AlN陶瓷的纳秒激光加工。他们的结果表明，蚀刻区域出现了定向周期性结构。将环境压力从大气压降低到10?? Torr改变了表面形貌，用具有10–15 μm周期的定向微结构取代了与激光波长周期性的波纹。然而，LST对VPP打印AlN陶瓷表面特性的影响仍未被探索。在此，我们提出了一种结合粉末工程、增材制造和激光表面官能化的综合策略。该策略生产具有高热导率和强疏水性的AlN陶瓷。该方法包括（i）设计具有定制粒径分布（PSD）的高固含量光敏AlN浆料，（ii）利用基于DLP的打印和无压烧结来创建高密度部件，以及（iii）应用激光加工在烧结AlN上产生疏水表面。这一综合方法解决了单项技术的局限性，并为制造用于高功率应用的高性能热管理部件提供了实际途径。章节摘要原材料三种平均粒径分别为0.25 μm、0.5 μm（上海超微纳米技术有限公司，中国）和1.2 μm（太钢铝业，日本JC级）的AlN粉末作为原材料。相应的AlN粉末的SEM图像和吸光特性如图1所示。添加了5 wt%的氧化钇（Y?O?，D?? = 0.5 μm，麦克林生化有限公司，中国）作为烧结添加剂。树脂配方含有季戊四醇四丙烯酸酯（PPTTA，皇家DSM）和……AlN陶瓷浆料的表征为了考察粒径比例变化对AlN陶瓷浆料流变行为的影响，系统地表征了固含量为50 vol%的悬浮液。如图3(a和b)所示，所有悬浮液都表现出非牛顿行为。当小颗粒粉末比例较低时，浆料表现出剪切增稠行为。这种行为可能是由较大颗粒通过范德华力形成松散的、空间跨越的网络引起的。结论在本研究中，研究了粒径分级对AlN悬浮液流变行为和固化特性的影响。分析了具有不同细颗粒含量的AlN生坯的性能。研究还评估了对应烧结陶瓷的力学和热学性能。最后，评估了激光加工和化学处理后的AlN陶瓷的表面特性。主要结论如下：(1) 这作者贡献声明吴海东：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，监督指导，资金获取，形式分析，数据整理。王俊业：写作 – 原稿撰写，调查研究，形式分析，数据整理。林礼富：写作 – 审稿与编辑，监督指导，资源提供，形式分析。王洪建：资源提供，调查研究，形式分析，数据整理。吴尚华：写作 – 审稿与编辑，监督指导，项目管理，资金获取。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响到本文所报道的工作。致谢本工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（批准号2024B1515120034）和中国湖北省自然科学基金（批准号2026AFB285）的支持。吴海东 | 王俊业 | 林礼富 | 王洪建 | 吴尚华