一种氮化物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，尤其涉及一种氮化物陶瓷的制备方法。本发明专利技术包括：将氮化物陶瓷混合物依次进行成型和预烧处理；将预烧坯体浸入非水基浸渗剂溶液中进行浸渗处理，然后将其浸入沉淀剂溶液中进行原位沉淀；非水基浸渗剂溶液包括溶质A和溶剂A，溶质A为稀土硝酸盐和碱土硝酸盐，溶剂A为有机溶剂；沉淀剂溶液包括溶质B和溶剂B，溶质B为胺类有机物，溶剂B为有机溶剂；将浸渗坯体依次进行干燥、煅烧和烧结，得到氮化物陶瓷。本申请解决传统浸渗沉淀技术中由于氮化物陶瓷粉体的水解和氧杂质的额外引入而使其热导率降低的技术难题，且浸渗后的原位沉淀使得烧结助剂分散均匀性良好，有利于提升氮化物陶瓷的热导率和可靠性。

A Method of Preparing Nitride Ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物陶瓷的制备方法
本专利技术属于陶瓷材料的制备
，尤其涉及一种氮化物陶瓷的制备方法。
技术介绍
氮化物陶瓷是一类重要的结构与功能材料，具有良好的力学、化学、电学、热学及高温物理性能，在冶金、航空、化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。氮化硅、氮化铝是研究与应用的热点。其中，氮化铝陶瓷具有高热导率(理论热导率320W·m-1·K-1)，优良的电绝缘性能、与硅和砷化镓等芯片材料的热膨胀系数相近、较低的介电常数和介电损耗，无毒等优异性能，使之成为高能/高频集成电路中陶瓷散热器件的理想候选材料，受到学术界和产业界的广泛关注。随着科技技术的发展革新，对于高导热的异形陶瓷部件的需求日益增长，例如：微电子
中的三维异形陶瓷封装和散热器件(微通道基板)、捷联惯性导航系统用动力调谐陀螺仪的永磁力矩器骨架、大功率LED异型绝缘散热器件等均需要使用高导热的陶瓷异形部件。氮化硅陶瓷的理论热导率高达200-320W·m-1·K-1，且力学性能优良，弯曲强度可达600-900MPa，断裂韧性可达4-7MPa·m1/2，是大功率半导体器件理想的散热基板材料，在航天航空、电动汽车、轨道交通、光伏逆变、风力发电、智能电网、大型工业自动化变频伺服等领域具有广阔的应用前景。氮化物陶瓷是典型的共价键化合物，其烧结温度通常较高。为获得完全致密的氮化物陶瓷，通常加入稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作为烧结助剂。稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作为烧结助剂主要起到两方面的作用：①形成液相，促进氮化物陶瓷的烧结致密化，降低氮化物陶瓷的烧结温度；②与氮化物陶瓷粉体表面氧化物发生反应形成第二相，从而降低氮化物陶瓷晶格氧含量，有利于提升氮化物陶瓷的热导率。目前，稀土金属氧化物或碱土金属氧化物烧结助剂主要是通过机械球磨混合的方式引入，该方法简单，易于操作，但是球磨混合易导致烧结助剂分散不均匀，这对提升氮化物陶瓷的致密度、热导率与可靠性不利。而浸渗沉淀技术可以实现烧结助剂在陶瓷中的纳米级均匀分布，并在氧化铝、氧化锆陶瓷制备中得以应用，而鲜见其应用于氮化物陶瓷的制备。这是因为目前的浸渗沉淀技术一般是将烧结助剂组元制备成水基浸渗剂，再通过氨水沉淀的方式，将烧结助剂组元引入陶瓷中。由于氮化物陶瓷在含水环境下，易发生水解，继而会额外引入氧元素，在后期烧结过程中会急剧降低氮化物陶瓷的热导率。若将现有的浸渗沉淀技术应用于氮化物陶瓷的制备，会使得氮化物陶瓷中引入较多的氧元素，不利于氮化物陶瓷热导率的提升。因此，亟待开发一种新型的浸渗沉淀技术，使其适用于氮化物陶瓷的制备，既能实现烧结助剂的均匀分散，又可以避免氮化物陶瓷在浸渗沉淀过程中发生水解。
技术实现思路
有鉴于此，本申请的目的是提供一种非水基浸渗沉淀技术，旨在提高烧结助剂的分散均匀性，且同时克服传统水基浸渗沉淀技术中氮化物陶瓷粉体易发生水解以及氧杂质的额外引入的缺陷，可提高氮化物陶瓷的热导率和致密度。本专利技术提供了一种氮化物陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将氮化物陶瓷混合物依次进行成型和预烧处理，得到预烧坯体；步骤2、将所述预烧坯体浸入非水基浸渗剂溶液中进行浸渗处理，然后去除所述预烧坯体表面的残余非水基浸渗剂溶液后，再将其浸入沉淀剂溶液中进行原位沉淀，得到浸渗坯体；其中，所述非水基浸渗剂溶液包括溶质A和溶剂A，所述溶质A为在非水环境下可溶于所述溶剂A的稀土硝酸盐或/和碱土硝酸盐，所述溶剂A为在非水环境下可溶解所述溶质A的有机溶剂；所述沉淀剂溶液包括溶质B和溶剂B，所述溶质B为在非水环境下可溶于所述溶剂B的胺类有机物，所述溶剂B为在非水环境下可溶解所述溶质B的有机溶剂；步骤3、将所述浸渗坯体依次进行干燥、煅烧和烧结处理，得到氮化物陶瓷。需要说明的是，根据不同的成型方法，步骤1还包括脱脂处理；脱脂、预烧、干燥、煅烧和烧结处理为本领域常规的方法，根据实际产品的原料或者产品需要采用不同的成型、脱脂、预烧、干燥、煅烧和烧结方式。需要说明的是，根据不同的成型方法，步骤1的氮化物陶瓷混合物可以为氮化物陶瓷浆料，也可以为氮化物陶瓷粉体混合物。具体的，成型方法可以为用于3D打印的成型方法，也可以为湿法成型方法，也可以为干法成型方法，干法成型方法可以为干压成型、冷等静压成型等方法，本申请不对成型方法做具体限定。作为优选，步骤1中，所述氮化物陶瓷混合物的氮化物选自氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化镓、氮化钛或过渡金属氮化物中的一种。更为优选，步骤1中，所述氮化物陶瓷混合物的氮化物选自氮化铝或氮化硅。需要说明的是，所述氮化物陶瓷混合物的氮化物为氮化铝或氮化硅时，使用本申请的制备方法可以提高氮化铝陶瓷或氮化硅陶瓷的热导率。作为优选，步骤1中，所述预烧坯体的孔隙率为20-50％。需要说明的是，氮化物陶瓷混合物的氮化物种类选自的依据为：稀土硝酸盐引入的稀土氧化物，和碱土硝酸盐引入的碱土金属氧化物能够作为其烧结助剂；稀土氧化物助剂的均匀引入能够提升其热导率。更优选的，所述氮化物陶瓷混合物的氮化物选自氮化铝，本申请的氮化物陶瓷混合物为树脂基氮化铝陶瓷浆料，树脂基氮化铝陶瓷混合物包括氮化铝陶瓷粉体、光敏树脂、分散剂和光引发剂。其中，光敏树脂选自环氧丙烯酸酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、醋酸乙烯酯、乙烯基吡咯烷酮、己二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯或二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或几种；分散剂选自BYKAT204、BYK9076、BYK9077、BYKP104S、BYK110、BYKW9010、SOLSPERSE8000、SOLSPERSE17000、SOLSPERSE24000中的任一种或多种，分散剂掺量占氮化铝陶瓷粉体质量的1.5％～2％；光引发剂选自Darocur1173、TPO、Irgacure819、Irgacure184、Irgacure127、Irgacure369、Irgacure907中的任一种或多种，光引发剂掺量占光敏树脂质量的0.1％～3％。作为优选，步骤2中，所述稀土硝酸盐的稀土离子选自Y3+、La3+、Sm3+或Dy3+所述非水基浸渗剂溶液；所述碱土硝酸盐的碱土金属离子选自Mg2+或Ca2+。作为优选，步骤2中，所述非水基浸渗剂溶液的溶质A的浓度为0.1-1.5mol/L。作为优选，步骤2中，所述溶剂A选自乙醇、异丙醇、丙酮和乙醚中的一种或多种。更为优选，所述非水基浸渗剂溶液选自硝酸钇的乙醇溶液、硝酸钇的异丙醇溶液、硝酸镧的乙醇溶液、硝酸钐的乙醇溶液、硝酸钐的丙酮溶液、硝酸镝的乙醇溶液、硝酸镝的乙醚溶液、硝酸镁的乙醇溶液、硝酸钙的乙醇溶液或硝酸钙的丙酮溶液中的一种。作为优选，步骤2中，所述溶质B的胺类有机物选自乙二胺、二乙胺、三乙胺、三乙烯二胺和一乙醇胺中的一种或多种。作为优选，步骤2中，所述溶剂B选自乙醇、异丙醇、丙酮、乙醚、甲苯和二甲苯中的一种或多种。更为优选，所述沉淀剂溶液选自乙二胺的乙醇溶液、乙二胺的丙酮溶液、二乙胺的异丙醇溶液、二乙胺的乙醇溶液、二乙胺的乙醚溶液、三乙胺的乙醇溶液、三乙烯二胺的甲苯溶液、三乙烯二胺的二甲苯溶液、三乙烯二胺的乙醇溶液、三乙烯二胺的丙酮溶液、一乙醇胺的乙醇溶液、一乙醇胺的丙酮溶液中的一种。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将氮化物陶瓷混合物依次进行成型和预烧处理，得到预烧坯体；步骤2、将所述预烧坯体浸入非水基浸渗剂溶液中进行浸渗处理，然后去除所述预烧坯体表面的残余非水基浸渗剂溶液后，再将其浸入沉淀剂溶液中进行原位沉淀，得到浸渗坯体；其中，所述非水基浸渗剂溶液包括溶质A和溶剂A，所述溶质A为在非水环境下可溶于所述溶剂A的稀土硝酸盐或/和碱土硝酸盐，所述溶剂A为在非水环境下可溶解所述溶质A的有机溶剂；所述沉淀剂溶液包括溶质B和溶剂B，所述溶质B为在非水环境下可溶于所述溶剂B的胺类有机物，所述溶剂B为在非水环境下可溶解所述溶质B的有机溶剂；步骤3、将所述浸渗坯体依次进行干燥、煅烧和烧结处理，得到氮化物陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将氮化物陶瓷混合物依次进行成型和预烧处理，得到预烧坯体；步骤2、将所述预烧坯体浸入非水基浸渗剂溶液中进行浸渗处理，然后去除所述预烧坯体表面的残余非水基浸渗剂溶液后，再将其浸入沉淀剂溶液中进行原位沉淀，得到浸渗坯体；其中，所述非水基浸渗剂溶液包括溶质A和溶剂A，所述溶质A为在非水环境下可溶于所述溶剂A的稀土硝酸盐或/和碱土硝酸盐，所述溶剂A为在非水环境下可溶解所述溶质A的有机溶剂；所述沉淀剂溶液包括溶质B和溶剂B，所述溶质B为在非水环境下可溶于所述溶剂B的胺类有机物，所述溶剂B为在非水环境下可溶解所述溶质B的有机溶剂；步骤3、将所述浸渗坯体依次进行干燥、煅烧和烧结处理，得到氮化物陶瓷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述氮化物陶瓷混合物的氮化物选自氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳氮化钛或过渡金属氮化物中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述预烧坯体的孔隙率为20-50％。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍尚华，聂光临，黎业华，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44