一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，属于无机陶瓷材料技术领域。本发明专利技术先将醇铝盐、硅酸酯、脂肪酸、醇类溶剂纳米铁粉和氟化钠混合均匀后，再加入碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，超声浸渍，得混合浸渍液；将混合浸渍液加热超声反应后，过滤，洗涤，干燥，得负载填充气凝胶，再将负载填充气凝胶用水合肼还原，得还原负载填充气凝胶；随后将其于氮气保护状态下，逐步升温反应，制得复合氮化铝粉体；再将复合氮化铝粉体和氧化钙、氧化镁、聚乙烯醇缩丁醛以及溶剂混合后，注模成型，再经高温烧结，冷却，即得致密烧结型复合氮化铝陶瓷。本发明专利技术所得致密烧结型复合氮化铝陶瓷具有优异的力学性能和导热效率。

Preparation of dense sintered composite aluminium nitride ceramics

The invention discloses a preparation method of dense sintered composite aluminium nitride ceramics, which belongs to the technical field of inorganic ceramic materials. In the invention, alcohol aluminum salt, silicic acid ester, fatty acid, alcohol solvent nano iron powder and sodium fluoride are mixed evenly, then carbon fiber / graphene oxide aerogel is added, and ultrasonic impregnation is adopted to obtain the mixed impregnating liquid. After heating, ultrasonic reaction, mixing, impregnating liquid, filtering, washing and drying, the load is filled with aerogels, and then loaded with aerogels and hydrazine hydrate to reduce the load. The aerated gel was then heated up gradually under nitrogen protection to prepare the composite aluminum nitride powder. Then the composite aluminum nitride powder and calcium oxide, Magnesium Oxide, polyvinyl butyral and solvent were mixed and molded, then sintered and cooled at high temperature, and then compact sintered composite aluminum nitride ceramics were obtained. The compact sintered composite aluminium nitride ceramics obtained by the invention have excellent mechanical properties and thermal conductivity.

【技术实现步骤摘要】
一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法
本专利技术公开了一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，属于无机陶瓷材料

技术介绍
氮化铝是一种具有优良综合性能的陶瓷材料，对其研究可以追溯到一百多年前，但当时仅将其作为一种固氮剂用作化肥。氮化铝是共价化合物，自扩散系数小，熔点高，导致其难以烧结，直到20世纪50年代，人们才首次成功制得氮化铝陶瓷，作为耐火材料应用于纯铁、铝及铝合金等的熔炼。20世纪70年代以来，随着研究的不断深入，氮化铝的制备工艺日趋成熟，应用范围也不断扩大。尤其是进入21世纪以来，随着微电子技术的飞速发展，要求器件朝着微型化、轻型化、高集成度、高可靠性、大功率输出的方向发展，越来越复杂的器件对基片和封装材料的散热提出了越来越高的要求。传统的树脂基板和氧化铝陶瓷基板，最高热导率均仅为30W/（m·K）左右，远不能满足当今器件的散热要求。氧化铍陶瓷材料虽然热导率可达到350W/（m·K），但其价格昂贵且在制备过程中具有毒性。而氮化铝的理论热导率可达320W/（m·K），且具有良好的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、与硅相匹配的热膨胀系数，以及化学性能稳定和无毒等优良特点。因此，氮化铝陶瓷成为现今最理想的基板材料和电子器件封装材料。提高氮化铝陶瓷的烧结性能、降低其烧结温度，目前有两种方法。一种是在氮化铝粉体中添加适量烧结助剂，以液相烧结的形式促进氮化铝陶瓷的致密烧结。稀土金属和碱土金属氧化物、氟化物等是研究比较多的助剂体系，如Y2O3、CaO、Sm2O3、CaF和YF等。其中，Y2O3是最常用的烧结助剂。Y2O3与氮化铝粉体表面的Al2O3反应生成的AlYO3、Al2Y4O9和Al5Y3O12等钇铝酸盐相，能在较低温度下形成液相，润湿氮化铝晶粒，从而有效促进氮化铝陶瓷的致密烧结。如Yu等以3.9%的Y2O3作为烧结助剂，在1830℃保温2h即获得了达到理论致密度99.6%的氮化铝陶瓷；而Hirno等报道通过添加4%Y2O3，氮化铝陶瓷致密烧结温度可以降低至1780℃。另一种是选用粒径细小的亚微米或纳米级氮化铝粉体，利用细小粉体的高比表面能促进氮化铝陶瓷的烧结。Matin等以纳米氮化铝粉体为原料，在28kPa热压烧结下，在1700℃即能获得理论致密度95%的氮化铝陶瓷。Kuramoto等以粒径约为0.11μm，比表面积为16.6m2/g和粒径为80～100nm，比表面积为40～50m2/g的氮化铝粉体为原料，在1700℃就基本达到了氮化铝陶瓷理论密度的98%。但是，由于粒径细小的氮化铝粉体大都采用湿化学结合碳热还原法制备，其制备过程较复杂、周期较长，致使生产成本较高。此外，粉体粒径过小使其整体流动性减弱、素胚成型比较困难，从而使氮化铝陶瓷在常压下难以烧结致密。用热压烧结或等离子烧结才能获得致密结构的陶瓷，使烧结工艺复杂，提高生产成本。针对目前传统的氮化铝陶瓷在采用碳热还原制备氮化铝粉体过程中，易导致产品结块，且需要加入过量的碳，反应结束后还需进行脱碳处理，而结块导致脱碳困难，且由于脱碳导致粉体孔隙率上升，是粉体难以实现致密化烧结，影响产品的导热效率和力学性能，因此还需对其进行研究。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是：针对传统氮化铝陶瓷在采用碳热还原制备氮化铝粉体过程中，易导致产品结块，且需要加入过量的碳，反应结束后还需进行脱碳处理，而结块导致脱碳困难，且由于脱碳导致粉体孔隙率上升，是粉体难以实现致密化烧结，影响产品导热效率和力学性能的弊端，提供了一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：（1）按重量份数计，依次取80～120份醇铝盐，30～50份硅酸酯，80～100份脂肪酸，60～80份醇类溶剂，10～15份碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，0.2～0.3份纳米铁粉，0.1～0.2份氟化钠，先将醇铝盐、硅酸酯、脂肪酸、醇类溶剂纳米铁粉和氟化钠混合均匀后，再加入碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，超声浸渍，得混合浸渍液；（2）将混合浸渍液加热超声反应后，过滤，洗涤，干燥，得负载填充气凝胶，再将负载填充气凝胶用水合肼还原，得还原负载填充气凝胶；（3）将还原负载填充气凝胶于氮气保护状态下，缓慢升温至600℃，保温反应2～3h后，继续快速升温至1500℃，保温反应3～5h后，进一步升温至1560～1580℃，保温反应6～8h后，出料，粉碎，得复合氮化铝粉体；（4）按重量份数计，依次取80～100份复合氮化铝粉体，3～5份氧化钙，2～4份氧化镁，10～20份聚乙烯醇缩丁醛，10～15份溶剂，搅拌混合均匀后，注模压制成型，随后于氮气保护状态下，于温度为1800～1850℃条件下，烧结2～3h，冷却，出料，即得致密烧结型复合氮化铝陶瓷。步骤（1）所述醇铝盐为异丙醇铝、乙醇铝中的任意一种。步骤（1）所述硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的任意一种。步骤（1）所述脂肪酸为蓖麻油酸、花生四烯酸、亚麻油酸中的任意一种。步骤（1）所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的任意一种。步骤（1）所述碳纤维/氧化石墨烯气凝胶制备过程为：按重量份数计，依次取3～5份氧化石墨烯，3～5份碳纤维，200～300份水，0.6～0.8份三聚氰胺，调节pH至6.0～6.2后，搅拌反应，再经真空冷冻干燥，得碳纤维/氧化石墨烯气凝胶。步骤（4）所述聚乙烯醇缩丁醛为缩醛度为70～75%的聚乙烯醇缩丁醛。步骤（4）所述溶剂为甲醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丙酮、甲乙酮、环己酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸乙酯、乙酸丁酯中的任意一种。步骤（3）所述缓慢升温至600℃为：采用不同升温速率进行阶段性升温，先以3～5℃/min速率程序升温至300℃，再以0.5～0.6℃/min速率程序升温至600℃。步骤（3）所述快速升温至1500℃为：采用不同升温速率进行阶段性升温，先以15～20℃/min速率程序升温至1200℃，再以8～10℃/min速率程序升温至1500℃。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术技术方案首先以碳纤维和氧化石墨烯构建气凝胶，并以此气凝胶作为基体，再以脂肪酸和醇类溶剂的脱水缩合反应提供水源，促使体系中醇铝盐和硅酸酯的水解，从而在气凝胶基体孔隙结构中吸附沉积水解产物，且一旦有水解产物晶体产生即可被气凝胶孔隙结构吸附，有效避免了水解产物晶体的进一步长大和团聚，使其尺寸保持在纳米级且可良好分散，再利用水合肼对氧化石墨烯进行还原，使气凝胶结构中的缺陷被部分修复，氧化官能团被还原，从而引起分子间的斥力降低，通过π-共轭，使气凝胶部分进行自组装，使内部未沉积水解产物的孔隙结局进一步缩小，气凝胶体积得以收缩，致密度增加，内部各组分之间有效接触，传质距离缩短，有利于在后续升温过程中的充分反应，而气凝胶网络结构的存在，可提供空间位阻，避免局部结块团聚，另外，随着温度的升高，气凝胶中碳纤维发挥碳热还原作用，使碳纤维逐渐被侵蚀，而在纳米铁粉和氟化钠催化作用下，使碳纤维和二氧化硅反应形成碳化硅，该过程的发生在体系内部形成气体扩散通道，有利于后续氮气的进入，部分残留碳纤维则在进一步升温过程中，使氧化铝在氮气气氛下转变为氮化铝，最终生成了以纤维状碳化硅和片状结构的石墨烯作为骨架，氮化铝作为填充成分的复合粉体，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）按重量份数计，依次取80～120份醇铝盐，30～50份硅酸酯，80～100份脂肪酸，60～80份醇类溶剂，10～15份碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，0.2～0.3份纳米铁粉，0.1～0.2份氟化钠，先将醇铝盐、硅酸酯、脂肪酸、醇类溶剂纳米铁粉和氟化钠混合均匀后，再加入碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，超声浸渍，得混合浸渍液；（2）将混合浸渍液加热超声反应后，过滤，洗涤，干燥，得负载填充气凝胶，再将负载填充气凝胶用水合肼还原，得还原负载填充气凝胶；（3）将还原负载填充气凝胶于氮气保护状态下，缓慢升温至600℃，保温反应2～3h后，继续快速升温至1500℃，保温反应3～5h后，进一步升温至1560～1580℃，保温反应6～8h后，出料，粉碎，得复合氮化铝粉体；（4）按重量份数计，依次取80～100份复合氮化铝粉体，3～5份氧化钙，2～4份氧化镁，10～20份聚乙烯醇缩丁醛，10～15份溶剂，搅拌混合均匀后，注模压制成型，随后于氮气保护状态下，于温度为1800～1850℃条件下，烧结2～3h，冷却，出料，即得致密烧结型复合氮化铝陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）按重量份数计，依次取80～120份醇铝盐，30～50份硅酸酯，80～100份脂肪酸，60～80份醇类溶剂，10～15份碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，0.2～0.3份纳米铁粉，0.1～0.2份氟化钠，先将醇铝盐、硅酸酯、脂肪酸、醇类溶剂纳米铁粉和氟化钠混合均匀后，再加入碳纤维/氧化石墨烯气凝胶，超声浸渍，得混合浸渍液；（2）将混合浸渍液加热超声反应后，过滤，洗涤，干燥，得负载填充气凝胶，再将负载填充气凝胶用水合肼还原，得还原负载填充气凝胶；（3）将还原负载填充气凝胶于氮气保护状态下，缓慢升温至600℃，保温反应2～3h后，继续快速升温至1500℃，保温反应3～5h后，进一步升温至1560～1580℃，保温反应6～8h后，出料，粉碎，得复合氮化铝粉体；（4）按重量份数计，依次取80～100份复合氮化铝粉体，3～5份氧化钙，2～4份氧化镁，10～20份聚乙烯醇缩丁醛，10～15份溶剂，搅拌混合均匀后，注模压制成型，随后于氮气保护状态下，于温度为1800～1850℃条件下，烧结2～3h，冷却，出料，即得致密烧结型复合氮化铝陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（1）所述醇铝盐为异丙醇铝、乙醇铝中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（1）所述硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的任意一种。4.根据权利要求1所述的一种致密烧结型复合氮化铝陶瓷的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈倩，
申请(专利权)人：常州豪坦商贸有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32