一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷材料制备技术领域，涉及一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法。本发明专利技术以氮化铝粉体为基本原料，采用稀土金属氟化物EuF3、LaF3、SmF3或其混合物为烧结助剂，烧结助剂稀土氟化物的加入量为氮化铝粉末质量的2％-8％，经湿磨混合、干燥、成形、脱脂、烧结形成氮化铝陶瓷，所得氮化铝陶瓷热导率大于200W/m.K，抗弯强度大于320MPa，晶粒度细小的氮化铝陶瓷；本发明专利技术具有工艺简单，产品性能好，生产成本低等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法
本专利技术属于陶瓷材料制备
，涉及一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法。
技术介绍
氮化铝具有高的热导率，其理论值约为320W/m.K，接近BeO和SiC，是Al2O3陶瓷的5倍以上，低的介电常数与介质损耗，体积电阻率高，介电强度优良，其机械性能好，抗弯强度远高于BeO陶瓷，且具有无毒等特点。使其作为理想的大规模集成电路的散热基板和封装材料。目前，由于高的原材料价格以及高的烧结成本等限制了其广泛应用。关于制备高导热氮化铝的方法，中国专利CN102898141A公开了一种高导热氮化铝陶瓷异形件的制备方法，其特点是采用凝胶注模的方法成形，采用氧化钇、氟化钇、氟化钙、氧化钙、氧化锂、氟化锂中的一种或几种作为烧结助剂、经脱脂后直接升温到1600-1900℃后，经保温，随炉冷却至室温，制得氮化铝陶瓷。中国专利CN1686942A公开了一种制备高导热和高尺寸精度氮化铝陶瓷零部件的方法，其特征是采用氧化钇作为烧结助剂，经注射成形，脱脂后，直接升温到最高温后，炉冷，得到氮化铝陶瓷。中国专利CN101243024A公开了一种透光性好、表面光滑，热导率高的氮化铝陶瓷制备方法，其使用Ca3Al2O6作为烧结助剂，在1500-200℃下烧结。得到氮化铝陶瓷烧结体。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备高导热氮化铝陶瓷的方法，获得的氮化铝陶瓷具有热导率高、强度高等特点。一种制备高导热氮化铝陶瓷的方法，其具体步骤包括原料的混合、成形、脱脂、烧结。将氮化铝粉末与稀土氟化物EuF3、LaF3、SmF3中的一种或几种与置于尼龙内衬球磨罐中，加入氮化铝粉末质量1.5～3倍无水乙醇，再加入0.2％-0.6％硬脂酸作为表面活性剂，按照球料比为2～3:1比例进行球磨12～48小时，尼龙内衬球磨罐中稀土氟化物的加入量为氮化铝粉末质量的2％-8％，将混合好粉末进行干燥，再将干燥后粉末与粘结剂按照100:2～100:23比例进行混合，再经压制成形或注射成形制得生坯，压制成形压力为200MPa～600MPa，注射成形为50MPa-120MPa；再将成形坯进行脱脂后得到脱脂坯，脱脂根据成形方式不同，选择直接在氮气气氛热脱脂或者先经溶剂脱脂，再进行热脱脂，将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结过程中，升温速率为3～10℃/min，需要在烧结助剂熔点温度处进行保温，此温度范围为1450℃～1750℃，保温时间为1h-10h，促进液相烧结；最终烧结温度在1800℃～1900℃，保温时间为2h～24h；降温至1700～1780℃时，再保温1～40h，随后冷却至室温，烧结致密化后得到晶粒细小，热导率高的氮化铝陶瓷。通过较低的温度实现氮化铝陶瓷的致密化可以降低烧结成本以及对设备的要求，同时，对于复杂形状的氮化铝陶瓷的烧结，其可以减少其烧结变形。通过添加不同的烧结助剂及合适的烧结工艺，在降低烧结温度的同时，由助烧剂吸收氮化铝中的氧，提高氮化铝陶瓷的热导率。因此，通过加入合适的烧结助剂，比如选择稀土氟化物作为烧结助剂，其初始熔点相比较稀土氧化物，熔点更低，更易形成液相烧结，此外稀土氟化物在高温后分解，氟离子挥发，留下的稀土离子与氧进行复合，形成稀土氧化物，稀土氧化物与氮化铝表面的氧化铝反应，起到固溶氧原子的作用，降低氮化铝晶格中的氧含量，减少了铝空位的形成，从而减少了声子散射，提高了氮化铝陶瓷的热导率。另一方面，通过建立与其相匹配的烧结制度，能进一步使得形成的第二相挥发，而不至于造成氮化铝晶粒的过分长大，达到减少第二相的目的，也可提高氮化铝陶瓷的热导率。本专利技术优点：本专利技术采用稀土金属氟化物，而非稀土金属氧化物，优点主要有两点：第一，稀土金属氟化物相比稀土金属氧化物，具有更低的熔点，其在低温时可形成液相，促进氮化铝陶瓷的低温液相烧结，从而促进颗粒的重排与致密化，在最终烧结前已经具有一定致密度，减少烧结过程中晶粒的长大，使得最终烧结制得的陶瓷强度高。第二，前者在烧结过程中，氟化物会分解转变为氧化物，从而吸收氮化铝表面的氧，减少氮化铝陶瓷的氧含量，同时减少了液相量，从而提高氮化铝陶瓷热导率。具体实施方式实施实例11.原料混合：将1000gAlN粉末与50gLaF3粉末，0.5％硬脂酸，50g橡胶汽油称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合料。2.成形：将干燥后粉末置于模具中，在压力成形机上制得生坯，成形压力为200MPa。3.脱脂烧结：将生坯在流动氮气气氛中进行热脱脂后，置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再以升温至1810℃，保温4h，再降温至1750℃，保温20h，随后冷却。通过此工艺制得的氮化铝陶瓷密度达到3.35g/cm3,致密度99.9％，抗弯强度为320Mpa热导率为210W/m.K。实施例21.原料混合：将1000gAlN粉末与50gLaF3粉末，0.3％硬脂酸，称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合粉末。将干燥后粉末1000g与220g粘结剂放入混炼机中加热搅拌，粘结剂成份为60％石蜡，15％高密度聚乙烯，20％聚丙烯，5％硬脂酸。加热温度为170℃，待喂料呈熔融态后继续混炼1h，待冷却后取出。2.注射成形：将喂料放入注射机料斗内，注射温度为165℃，注射压力100Mpa，模具温度为50℃，制得注射成形生坯。3.脱脂烧结：将注射生坯置于三氯乙烯容易中浸泡12h，取出后烘干，将其放入脱脂炉中缓慢加热至600℃，气氛为流动氮气，得到脱脂坯。将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再升温至1830℃，保温5h，降温至1750℃，保温40h，随后冷却。通过此工艺制得的氮化铝陶瓷3.36g/cm3,致密度99.9％，抗弯强度为310Mpa热导率为215W/m.K实施实例31.原料混合：将1000gAlN粉末与60gEuF3粉末，0.5％硬脂酸，50g橡胶汽油称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合料。2.成形：将干燥后粉末置于模具中，在压力成形机上制得生坯，成形压力为400MPa。3.脱脂烧结：将生坯在流动氮气气氛中进行热脱脂后，置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再以升温至1830℃，保温4h后降温至1740℃，保温20h，随后炉冷。通过此工艺制得的氮化铝陶瓷密度达到3.34g/cm3,致密度99.8％，抗弯强度为300Mpa热导率为200W/m.K。实施实例41.原料混合：将1000gAlN粉末与20gLaF3、10gEuF3粉末，0.5％硬脂酸，50g橡胶汽油称好后放入尼龙内衬的球磨罐中，加入1500ml无水乙醇，以玛瑙球为球磨介质进行球磨24h，取出干燥后得到混合料。2.成形：将干燥后粉末置于模具中，在压力成形机上制得生坯，成形压力为350MPa。3.脱脂烧结：将生坯在流动氮气气氛中进行热脱脂后，置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结制度采用先升温至1600℃，保温1h，再升本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高导热氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：1)原料混合：将氮化铝粉末与烧结助剂稀土氟化物EuF3、LaF3、SmF3中的一种或几种与置于尼龙内衬球磨罐中，加入氮化铝粉末质量1.5～3倍无水乙醇或橡胶汽油，再加入0.2％‑0.6％硬脂酸作为表面活性剂，按照球料比为2～3:1比例进行球磨12～48小时，将混合好粉末进行干燥，再将干燥后粉末与粘结剂按照100:2～100:23比例进行混合；2)成形：经压制成形或注射成形制得生坯，当采用压制工艺成形时，压制成形压力为200MPa～600MPa，采用橡胶汽油为粘结剂，当采用注射成形工艺时，注射成形压力为50MPa‑120MPa，采用复合粘结剂，粘结剂成分为60％石蜡，15％高密度聚乙烯，20％聚丙烯，5％硬脂酸；3)脱脂烧结：脱脂根据成形方式不同，选择直接在氮气气氛热脱脂或者先经溶剂脱脂，再进行热脱脂，将脱脂坯置于坩埚中，在高温烧结炉中进行烧结，烧结过程中，升温速率为3～10℃/min，在烧结助剂熔点温度处进行保温，促进液相烧结；再经最终烧结、降温保温过程随后冷却至室温，烧结致密化后得到晶粒细小，热导率高的氮化铝陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种制备高导热氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：1)原料混合：将氮化铝粉末与烧结助剂稀土氟化物EuF3、LaF3、SmF3中的一种或几种置于尼龙内衬球磨罐中，加入氮化铝粉末质量1.5～3倍无水乙醇或橡胶汽油，再加入0.2％-0.6％硬脂酸作为表面活性剂，按照球料比为2～3:1比例进行球磨12～48小时，将混合好粉末进行干燥，再将干燥后粉末与粘结剂按照100:2～100:23比例进行混合；2)成形：经压制成形或注射成形制得生坯，当采用压制工艺成形时，压制成形压力为200MPa～600MPa，采用橡胶汽油为粘结剂，当采用注射成形工艺时，注射成形压力为50MPa-120MPa，采用复合粘结剂，粘结剂成分为60％石蜡，15％高密度聚乙烯，20％聚丙烯，5％硬脂酸；3)脱脂烧结：脱脂根据成形方式不同，选择直接在氮气气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦明礼，鲁慧峰，何庆，吴昊阳，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11