一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料及其制备方法。本发明专利技术方法以包含硅源、着色剂和烧结助剂的混合物作为原料，将各原料组分混合、成型并烧结，制得所述氮化硅陶瓷材料。本发明专利技术还提供了由本发明专利技术方法制得的氮化硅陶瓷材料以及氮化硅陶瓷材料作为手机背板的应用。本发明专利技术的氮化硅陶瓷材料是一种性能优异的、极具应用潜力的材料，具有如下优点：韧性好，可高达12MPa·m

【技术实现步骤摘要】
一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于陶瓷材料及其制备工艺和应用领域，涉及一种用于手机背板的新型氮化硅陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着通信和数字技术的飞速发展，手机等电子产品在短短几十年的时间内，已经经过了数次升级换代，成为科技进步的时代缩影。而手机外壳不仅是手机强有力的防护伞，保证电磁信号的接收和发送，降低意外摔落的损害，延长手机的使用寿命，更重要的是能提升使用者的产品体验。因此，制作手机外壳的材料要求具有无电磁屏蔽、高韧性、色彩多样、质感好、耐磨、导热性良好、尺寸稳定、外观优美等特点，这也对手机背板材质提出了更高的要求。目前手机背板材料主要为塑料、金属、玻璃和陶瓷。其中，金属材质会屏蔽信号，已经不太适用于手机背板；塑料材质介电损耗高，满足不了消费者对手机体验度及趋向于高端的需求；玻璃目前最常用于后盖，但是十分容易破碎。由于陶瓷背板的韧性、抗弯强度、硬度、耐磨性、散热等性能可以满足以上需求，因此更能适应未来手机通讯的要求。5G时代，陶瓷将成为手机背板的主要候选材料。可以用于制作手机背板的陶瓷材料有例如氧化锆，但是氧化锆也存在一些问题。一是冲击韧性差，在机加工的时候容易碎裂；而且氧化锆是依靠相变增韧来保证高韧性，频繁冲击容易导致微裂纹扩展，从而降低其应用可靠性。二是氧化锆的热导率较低，通常只有5W/m·K左右，散热困难，特别是在手机软件高速运行以及电池发热的情况下，散热差容易影响手机的运行速度和使用可靠性。三是氧化锆的介电损耗在10-2量级，会使信号衰减，在手机信号差的地方容易通话不畅。四是氧化锆的密度较高，增加了机身质量。五是氧化锆的硬度稍低，有划伤风险。
技术实现思路
本专利技术针对以上现有技术中存在的问题以及针对手机背板的应用背景和要求，基于对氮化硅陶瓷材料长期的研究积累，提出采用氮化硅陶瓷材料作为通信装置手机背板材料，以弥补目前氧化锆手机背板材料的上述不足。目前，这样的手机背板材料在国内外尚无任何报道。本专利技术第一方面提供了一种制备氮化硅陶瓷材料的方法，其中，所述方法以包含硅源、着色剂和烧结助剂的混合物作为原料，将各原料组分混合、成型并烧结，制得所述氮化硅陶瓷材料。在一些优选的实施方式中，所述方法以由硅源、着色剂和烧结助剂组成的混合物作为原料。本专利技术第二方面提供了由本专利技术第一方面所述的方法制得的氮化硅陶瓷材料。本专利技术第三方面提供了氮化硅陶瓷材料作为手机背板材料中的应用；优选的是，所述氮化硅陶瓷材料为本专利技术第一方面所述方法制得的氮化硅陶瓷材料，即，本专利技术第二方面所述的氮化硅陶瓷材料。本专利技术第四方面提供了一种手机背板材料，所述手机背板材料由氮化硅陶瓷材料制得。相对于现有技术，本专利技术技术如下技术效果：(1)韧性好，强度高。本专利技术的氮化硅陶瓷材料的韧性可以达到12MPa·m1/2以上，强度可以达到500～1100MPa，完全能够满足作为手机背板对于材料力学性能的要求。(2)抗冲击韧性好。本专利技术的氮化硅陶瓷材料属于晶须增韧，抗冲击性能好，可以方便进行机加工而不容易碎裂，不易因为机加工导致微裂纹萌生而引起材料性能下降，在使用时即使频繁冲击也不大会引起开裂。(3)热导率高，散热性能优良。本专利技术的氮化硅陶瓷材料的热导率较高，可以达到40-70W/m·K的水平，是氧化锆陶瓷材料的10倍以上，作为例如手机外壳可以更容易散热，避免在手机高速运行因发热带来的卡机及性能下降。(4)介电损耗低。本专利技术的氮化硅陶瓷材料的介电损耗通常在10-4量级，对微波的透明性更好，接收信号能力更强，微波信号衰减极少，在信号较弱时会有优势，是一种优异的微波窗口材料，有利于手机信号通畅。(5)硬度高。本专利技术的氮化硅陶瓷材料的硬度高，甚至可以作为陶瓷刀具材料，不易被划伤，而且即使有微裂纹，由于氮化硅陶瓷材料具有特殊的微观结构，裂纹也不容易扩展，可以保证例如手机背板的应用可靠性。(6)密度小。本专利技术的氮化硅陶瓷材料能够有效地降低机身质量，特别适合于轻量化的要求。(7)透明，质感好，易着色，着色效果好。本专利技术的氮化硅陶瓷材料属于透明陶瓷材料，容易着色，可以实现颜色多样化，而且着色效果较好，具有类似于玉石的质感，是一种极具潜力的手机背板材料，适用于例如中高端手机外壳。(8)工艺简单可靠，容易操作，原料成本低。尽管同样质量的氮化硅粉体的价格比氧化锆高，但是，因氮化硅密度较低，因此制备同样体积的材料，氮化硅原料成本与氧化锆原料相当。总而言之，综合各种性能来看，氮化硅陶瓷材料具有比氧化锆陶瓷作为手机背板材料更大的优势，是一种更加优异的、极具潜力的手机背板材料。附图说明图1为本专利技术实施例1制得的氮化硅陶瓷材料的断面的SEM图。具体实施方式本专利技术提出将氮化硅陶瓷材料作为手机背板材料，利用氮化硅陶瓷材料优异的力学性能，特别是高的韧性等性能来达到手机背板对于陶瓷力学性能的要求。本专利技术在制备陶瓷材料时通过配方、工艺和烧结制度优化，能够将氮化硅陶瓷的韧性提高到12MPa·m1/2以上。同时，通过添加着色剂或者通过烧结助剂着色的方法实现氮化硅陶瓷材料的颜色调控。另外，通过注射成型、干压成型或者流延成型等工艺制备氮化硅陶瓷材料手机背板样品。本专利技术提出的氮化硅手机背板材料，有利于信号接收，而且便于散热以及色彩丰富，制备工艺简单可靠，成本和氧化锆相当、容易操作。以下将对本专利技术的具体实施方式进行进一步说明。本专利技术第一方面提供了一种制备氮化硅陶瓷材料的方法，所述方法以包含硅源、着色剂和烧结助剂的混合物作为原料，将各原料组分混合、成型并烧结，制得所述氮化硅陶瓷材料。氮化硅陶瓷材料是一种传统的结构陶瓷材料。本专利技术根据长期的研究积累发现，该材料具有高强度、高韧性、抗冲击性和抗热震性优异等优势，而且具有高导热性能、良好的微波透过性能、良好的力学性能和高温性能，其各项性能特别适合于用来制造手机背板。基于此，本专利技术提出采用氮化硅陶瓷材料作为手机背板材料。氮化硅陶瓷材料用作手机背板材料相对于氧化锆材料而言具有如上所述的优势，是一种更加优异的、更具潜力的手机背板材料。在一些实施方式中，所述硅源、着色剂和烧结助剂的质量比为(85～96.5)：(5～0.5)：(10～3)，例如为(85～96.5)：(5、4、3、2、1或0.5)：(10、9、8、7、6、5、4或3)，其中所述硅源的质量换算成氮化硅的质量来计算。组成在上述范围内可以保证材料具有较高的致密度，从而保证材料的力学性能，同时组成在上述范围能够保证材料具有均匀的颜色分布。本专利技术提出的将氮化硅陶瓷材料来制备例如手机背板材料，其中可以采用氮化硅粉体添加着色剂、烧结助剂进行制备，也可以采用硅粉氮化后再添加着色剂、烧结助剂制备。于是，在另外一些实施方式中，所述硅源为氮化硅粉体和/或硅粉。本专利技术的氮化硅陶瓷材料可以直接使用氮化硅粉体作为材料来制备。优选的是，所述氮化硅粉体的粒径为0.5μm～20μm，例如为0.5、1.0、5.0、10.0、15.0或20.0μm，在上述范围内能够制备出致密的氮化硅陶瓷材料。本专利技术的氮化硅陶瓷材料也可以使用硅粉经过氮化再进行烧结来制备。优选的是，所述硅粉的粒径为0.2μm～30μm，例如为0.2、0.5、1.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0或30.0μm，在上述范围内，硅粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述方法以包含硅源、着色剂和烧结助剂的混合物作为原料，将各原料组分混合、成型并烧结，制得所述氮化硅陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述方法以包含硅源、着色剂和烧结助剂的混合物作为原料，将各原料组分混合、成型并烧结，制得所述氮化硅陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅源、着色剂和烧结助剂的质量比为(85～96.5)：(5～0.5)：(10～3)，其中所述硅源的质量换算成氮化硅的质量来计算。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硅源为氮化硅粉体和/或硅粉；优选的是，所述氮化硅粉体的粒径为0.5μm～20μm，和/或所述硅粉的粒径为0.2μm～30μm；所述着色剂选自由如下着色剂组成的组：(i)金属元素；优选的是，所述金属元素选自由Fe、V、Pb、Co、Cr、Mn、Ni、Cu、Hf组成的组；(ii)过渡金属的氧化物、碳化物和氮化物以及它们的固溶体；优选的是，所述过渡金属选自由钛、锆和铪组成的组；另外优选的是，所述固溶体为TiN(1-x)Cx、ZrN(1-x)CX或HfN(1-x)Cx，其中，x为大于0并且小于1；(iii)Cl-离子、C和/或SiC；(iv)稀土金属的氧化物、碳化物和氮化物以及它们的前驱体；优选的是，所述稀土金属选自由钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)组成的组，更优选的是，所述稀土金属选自由钇(Y)、铒(Er)和铕(Eu)组成的组；进一步优选的是，着色剂以稀土金属的碳酸盐、硝酸盐和/或乙酸盐的形式加入；和/或所述烧结助剂选自由第一烧结助剂和第二烧结助剂组成的组，所述第一烧结助剂选自由Al2O3、AlN、CaO、MgO、SiO2组成的组，所述第二烧结助剂选自由Y2O3和镧系稀土氧化物组成的组；优选的是，所述烧结助剂包含至少一种第一烧结助剂和至少一种第二烧结助剂；进一步优选的是，所述第一烧结助剂和第二烧结助剂的质量比为3:5～8。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将硅源、着色剂和烧结助剂分散于有机溶剂中，得到原料混合物；(2)向所述原料混合物中添加分散剂并混合均匀，得到待成型混合物；(3)将所述待成型混合物成型为坯体，再对所述坯体进行烧结，得到所述氮化硅陶瓷材料；优选的是，所述方法还包括在向原料混合物添加分散剂并混合均匀之后再加入粘结剂和/或塑性剂并混合均匀从而得到待成型物料的步骤。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：所述有机溶剂选自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景贤，段于森，刘宁，马瑞欣，江东亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31