一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷及其制备方法。本发明专利技术氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备方法中，通过在氧化铝陶瓷混合物中掺杂碳源再成型并进行真空碳化处理得到氧化铝陶瓷坯体，再将氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后，在氧化铝坯体内原位引入氮化铝陶瓷，再依次进行脱碳处理和烧结处理，得到氮化铝/氧化铝复相陶瓷，可实现氮化铝二次相在氧化铝基体中的均匀分布，有利于提升氮化铝/氧化铝复相陶瓷的热导率，制备得到的氮化铝/氧化铝复相陶瓷具有优良的导热性能和致密性能；且通过碳热还原氮化处理原位引入氮化铝陶瓷，可以降低氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备成本。

A kind of aluminum nitride / alumina composite ceramics and its preparation method

The invention belongs to the technical field of ceramic material preparation, in particular to an aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramic and a preparation method thereof. In the preparation method of the aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramic, the aluminum oxide ceramic body is obtained by doping carbon source in the aluminum oxide ceramic mixture and then forming and vacuum carbonizing, and after carbothermal reduction and nitriding treatment, the aluminum nitride ceramic body is introduced into the aluminum oxide body in situ, and then decarburization and sintering treatment are carried out successively to obtain aluminum nitride /Aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramics can realize the uniform distribution of aluminum nitride secondary phase in the aluminum oxide matrix, which is conducive to improving the thermal conductivity of aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramics, and the prepared aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramics have excellent thermal conductivity and compactness; and aluminum nitride / aluminum oxide composite ceramics can be reduced by introducing aluminum nitride ceramics in situ through carbothermal reduction and nitridation treatment Cost of preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷及其制备方法
本专利技术属于陶瓷材料制备
，尤其涉及一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷及其制备方法。
技术介绍
氧化铝(Al2O3)陶瓷具有优良的绝缘性能、化学稳定性、导热性能与高频特性，且原料来源丰富、成本较低，使其成为电子信息制造业中应用最为广泛的陶瓷基板材料，占据陶瓷基板市场总量的90％以上。但是由于Al2O3陶瓷的热导率相对较低(25～30W·m-1·K-1)，使得其应用领域受限，难以应用于高功率LED、绝缘栅双极型晶体管芯片(IGBT)等领域。而氮化铝(AlN)陶瓷具有优异的导热性能(理论热导率319W·m-1·K-1)，因此利用复合材料设计，将氮化铝陶瓷掺于氧化铝陶瓷中，可制得氮化铝/氧化铝复相陶瓷，有利于进一步提升氧化铝陶瓷的热导率。传统氮化铝/氧化铝复相陶瓷主要是采用氧化铝粉体、氮化铝粉体的复掺进行制备，但是，由于氧化铝粉体与氮化铝粉体粒径、密度的差异，使得氮化铝粉体在氧化铝陶瓷基体内难以实现均匀分散，不利于提升氮化铝/氧化铝复相陶瓷的热导率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷及其制备方法，用于解决氮化铝/氧化铝复相陶瓷采用氧化铝粉体、氮化铝粉体的复掺进行制备，氮化铝粉体在氧化铝陶瓷基体内难以实现均匀分散，不利于提升氮化铝/氧化铝复相陶瓷的热导率的问题。本专利技术的具体技术方案如下：一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：a)将氧化铝粉体、烧结助剂和碳源进行混合得到氧化铝陶瓷混合物，再将所述氧化铝陶瓷混合物进行成型，再进行真空碳化处理，得到氧化铝陶瓷坯体；b)将所述氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后，再依次进行脱碳处理和烧结处理，得到氮化铝/氧化铝复相陶瓷。氮化铝粉体价格昂贵，为氧化铝粉体价格的2～3倍，且严重依赖进口，使得氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备成本较高。本专利技术中，通过在氧化铝陶瓷混合物中掺杂碳源再成型并进行真空碳化处理得到氧化铝陶瓷坯体，再将氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后，在氧化铝坯体内原位引入氮化铝陶瓷，再依次进行脱碳处理和烧结处理，得到氮化铝/氧化铝复相陶瓷，可实现氮化铝二次相在氧化铝基体中的均匀分布，有利于提升氮化铝/氧化铝复相陶瓷的热导率，制备得到的氮化铝/氧化铝复相陶瓷具有优良的导热性能和致密性能；且通过碳热还原氮化处理原位引入氮化铝陶瓷，可以降低氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备成本。本专利技术中，烧结助剂主要起到两方面作用：①作为碳热还原氮化处理的催化剂，促进氧化铝陶瓷粉体原位转化为氮化铝二次相；②作为氮化铝/氧化铝复相陶瓷的烧结助剂，促进其高致密烧结。优选的，步骤a)所述烧结助剂选自氧化钇、氧化钙、氟化钇和氟化钙中的一种或多种；所述烧结助剂的掺量为所述氧化铝粉体质量的2wt％～5wt％。优选的，步骤a)所述碳源选自酚醛树脂、不饱和树脂和环氧树脂中的一种或多种；所述碳源的掺量为所述氧化铝粉体质量的2wt％～10wt％。酚醛树脂优选为液态醇溶性酚醛树脂，液态醇溶性酚醛树脂的固含量优选不低于70wt％，残碳率不低于40％，更优选为FQ-9酚醛树脂、2130酚醛树脂、FQ-3酚醛树脂、5323酚醛树脂、5313酚醛树脂和2127酚醛树脂中的一种或多种。优选的，步骤b)所述碳热还原氮化处理的温度为1500℃～1700℃；所述碳热还原氮化处理的保温时间为2h～8h。碳热还原氮化处理中，氮气流速为0.5～5L/min。采用氧化铝陶瓷粉体、原位转化的碳黑与氮气之间的碳热氮化还原反应，在氧化铝陶瓷基体内原位生成氮化铝二次相，且该二次相的分散均匀性良好。优选的，步骤b)所述脱碳处理的温度为450℃～600℃；所述脱碳处理的保温时间为4h～8h。脱碳处理的目的在于去除氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后的残碳，以利于实现氮化铝/氧化铝复相陶瓷的高致密烧结。优选的，步骤b)所述烧结处理具体为：以5～15℃/min升温至1550～1650℃，保温1h～4h，再以5～15℃/min降温至1000～1200℃，优选再随烧结炉冷却。烧结温度优选为1550～1650℃，可避免氧化铝与氮化铝二次相在高于1650℃会发生高温反应，生成AlON，继而会导致氮化铝/氧化铝复相陶瓷力学与热学性能的急剧劣化。优选的，所述真空碳化处理具体包括：以0.5～5℃/min升温至400～500℃，保温2h～10h，再以0.5～5℃/min降温至25～30℃。真空碳化处理的目的在于将成型之后的氧化铝陶瓷生坯中的碳源炭化，原位转化为碳黑，为氧化铝的碳热还原氮化处理提供碳源。优选的，步骤a)成型为光固化3D打印成型；所述氧化铝陶瓷混合物的原料还包括光敏树脂、分散剂和光引发剂。采用光固化3D打印成型，可以高效、高精密制备复杂形状氮化铝/氧化铝复相陶瓷，能够满足异形散热封装器件的实际使用需求。真空碳化处理也可将成型后的氧化铝陶瓷生坯中的光敏树脂碳化，为氧化铝的碳热还原氮化处理提供碳源。本专利技术中，成型为光固化3D打印成型，氧化铝陶瓷混合物优选通过球磨处理混合得到，氧化铝陶瓷混合物为氧化铝陶瓷浆料，氧化铝陶瓷浆料的固含量优选不低于40vol％，氧化铝陶瓷浆料的粘度优选小于3Pa·s(剪切速率＝30s-1)。光敏树脂优选为环氧丙烯酸酯、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和二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或多种；分散剂选自BYKAT204、BYK9076、BYK9077、BYKP104S、BYK110、BYKW9010、SOLSPERSE8000、SOLSPERSE17000、SOLSPERSE24000中的一种或多种，分散剂掺量占氧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中的一种或多种，光引发剂掺量占光敏树脂质量的0.1％～3％。光固化3D打印成型进一步优选为基于数字光处理的光固化3D打印成型。光固化3D打印成型的激光波长优选为250～460nm，曝光量优选为4～100mJ/cm2，打印层厚优选为10～50μm，单层固化时间优选为1～15s。需要说明的是，成型还可为干压成型、凝胶注膜成型或流延成型，此处不做具体限定。本专利技术还提供了一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷，由上述技术方案所述制备方法制得。优选的，所述氮化铝/氧化铝复相陶瓷为异形构件。综上所述，本专利技术提供了一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：a)将氧化铝粉体、烧结助剂和碳源进行混合得到氧化铝陶瓷混合物，再将所述氧化铝陶瓷混合物进行成型，再进行真空碳化处理，得到氧化铝陶瓷坯体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/na)将氧化铝粉体、烧结助剂和碳源进行混合得到氧化铝陶瓷混合物，再将所述氧化铝陶瓷混合物进行成型，再进行真空碳化处理，得到氧化铝陶瓷坯体；/nb)将所述氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后，再依次进行脱碳处理和烧结处理，得到氮化铝/氧化铝复相陶瓷。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝/氧化铝复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将氧化铝粉体、烧结助剂和碳源进行混合得到氧化铝陶瓷混合物，再将所述氧化铝陶瓷混合物进行成型，再进行真空碳化处理，得到氧化铝陶瓷坯体；
b)将所述氧化铝陶瓷坯体进行碳热还原氮化处理后，再依次进行脱碳处理和烧结处理，得到氮化铝/氧化铝复相陶瓷。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)所述烧结助剂选自氧化钇、氧化钙、氟化钇和氟化钙中的一种或多种；
所述烧结助剂的掺量为所述氧化铝粉体质量的2wt％～5wt％。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)所述碳源选自酚醛树脂、不饱和树脂和环氧树脂中的一种或多种；
所述碳源的掺量为所述氧化铝粉体质量的2wt％～10wt％。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)所述碳热还原氮化处理的温度为1500℃～1700℃；
所述碳热还原氮化处理的保温时间为2h～8h。


5.根据权利要求...

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