Thermogravimetric study of yttrium isopropoxide and dispersant burnout in aluminum nitride ceramic processing

Abstract

Yttrium isopropoxide, an yttrium oxide precursor, is sometimes used as a sintering aid for producing aluminum nitride ceramics. In the present work, this sintering aid was used with isopropanol as the solvent and polyethyleneimine as the dispersing agent. After initial ball milling and drying steps, the burnout behaviour of samples taken from isostatically pressed pellets was studied by thermal analysis in nitrogen and air. In addition to the milled and pressed pellets, each component was also analyzed separately.

Complete conversion to yttrium oxide, with no residual carbon, would be a desirable property of this system. However, during the preparation of the aluminum nitride pellet, there was only partial yttrium isopropoxide decomposition. The nitrogen burnout residue contained carbon formed from the yttrium isopropoxide and dispersant overlapping thermal decomposition, mostly from an intermediary decomposition stage of the former that occurs between 300 and 550°C. The residual carbon content and the previous yttrium isopropoxide decomposition were estimated by thermogravimetry.

Zusammenfassung

Yttriumisopropoxid, eine Vorstufe von Yttriumoxid, wird in manchen Fällen als Hilfsmittel beim Sintern zur Herstellung von Aluminiumnitrid-Keramik verwendet. Vorliegend wurde dieses Sinterhilfsmaterial mit Isopropanol als Lösungsmittel und mit Polyethylenimin als Dispersionsmittel verwendet. Nach einer anfänglichen Kugelmühlenaufbereitung und Trocknungsschritten wird mittels Thermoanalyse in Stickstoff und Luft das Ausbrennverhalten von Proben aus isostatisch gepreßten Pellets untersucht. Außer den gemahlenen und gepreßten Pellets wurde jede einzelne Komponente auch einzeln untersucht.

Ein vollständiger Umsatz zu Yttriumoxid ohne verbleibenden Kohlenstoff wäre die wünschenswerte Eigenschaft dieses Systemes. Jedoch fand bei der Herstellung der Aluminiumnitridpellets nur eine teilweise Zersetzung von Yttriumisopropoxid statt. Der Ausbrennrückstand in Stickstoff enthält aus Yttriumisopropoxid geformten Kohlenstoff und Dispergiermittel, welches die thermische Zersetzung überlagert, am meisten von einem intermediären Zersetzungsprodukt des ersteren bei 300 und 550°C. Der verbleibende Kohlenstoffgehalt und die vorangehende Zersetzung des Yttriumisopropoxides wurde thermogravimetrisch geschätzt.