一种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氮化硅陶瓷材料，属于高性能陶瓷材料技术领域。所述的陶瓷材料包括氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属化合物，三者分别占陶瓷材料总质量的91‑95wt％、2‑4wt％和3‑5wt％，且氟化镁的含量不大于稀土金属化合物的含量。本发明专利技术通过选择适量的MgF

A silicon nitride ceramic material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种氮化硅陶瓷材料，特别涉及一种高热导率和优异力学性能的氮化硅陶瓷材料及其制备方法，属于高性能陶瓷材料

技术介绍
随着微电子信息技术的迅猛发展，现代电子器件朝着高电压、高频率、高密度、集约化等方向发展，电路基板的散热问题变得尤为突出，成为制约其发展的一个瓶颈所在。目前，为了应对日益严重的能源和环境问题，世界正处于由依靠化石能源逐渐向电能过渡的阶段。各种使用电力的交通工具层出不穷，例如高速电力火车、电动汽车、燃料电池汽车等。这些交通工具需要大量的电子器件配合使用。并且由于其使用环境的复杂多样性，这对于电路基板材料的力学性能提出了更高的要求。目前，实际生产、应用的导热陶瓷基片材料主要包括Al2O3和AlN，但其各有优缺点。例如，Al2O3热导率较低，通常只有30W·m-1·K-1，不适合作为高密度、高频率电路用电子封装基板材料；AlN制作成本较高，容易氧化，并且在200℃以上的工作环境温度时，其绝缘性能会大大降低。除此之外，其机械性能(如抗弯强度、断裂韧性等)较差，难以满足复杂动荡的工作环境需求。氮化硅陶瓷是一种具有优异力学性能的结构陶瓷，在各种工业领域被广泛使用。然而因为一直以来，人们一般认为氮化硅陶瓷的热导率较低，只有30W·m-1·K-1。这与氧化铝陶瓷的热导率值相近，但远远低于氮化铝陶瓷的热导率值，并且因为其制备价格较高，因此并没有考虑将它作为一种高导热陶瓷材料来研究。直到上世纪90年代，通过理论推导得出氮化硅的本征热导率可以高达320W·m-1·K-1。这在理论上证明了氮化硅是与氮化铝一样具有较高本征热导率的陶瓷材料，并且由于其力学性能要远远优异于氮化铝陶瓷，所以引起了世界范围内的研究高导热氮化硅陶瓷电路基板的热潮。通常意义上，高导热氮化硅陶瓷的制备需要添加适量的碱土金属氧化物(例如MgO、Al2O3等)以及稀土金属氧化物(例如Y2O3、CeO2等)作为烧结助剂。如中国专利申请文件(公开号CN107840663A)中公开的一种氮化硅陶瓷，各组分及组分的重量份数如下：氮化硅80-100份、氧化镁20-30份、氧化铝15-18份、氟化镁20-25份、三氧化二铁15-18份、高岭土5-8份、聚乙二醇5-8份、硅烷偶联剂2-5份、水30-40份。又如中国专利申请文件(公开号CN106565219A)中公开的一种大功率LED用掺杂氟化镁、可荧光陶瓷基座，然而该专利申请文件中公开的是一种复相陶瓷，主要包括钇铝石榴石、氧化铝等一些复合物相。尽管这两篇专利申请文件的陶瓷中都公开了含有氟化镁，然而两者也都同样含有大量的碱土金属氧化物MgO和Al2O3以及大量的其他烧结助剂。在这些烧结助剂中，碱土金属氧化物有助于降低氮化硅陶瓷的烧结温度，而稀土金属氧化物则有助于吸引氮化硅晶粒中的氧原子，在晶界形成Y-Si-O-N化合物，从而降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，提高氮化硅陶瓷的热导率。碱土金属降低氮化硅陶瓷烧结温度的原因在于，以MgO为例，是因为其中Mg2+降低了氮化硅陶瓷烧结过程中形成液相的温度点。根据目前的研究，影响氮化硅陶瓷热导率的因素很多，但是最主要的影响因素还是晶格氧含量，而烧结助剂是晶格中氧元素重要的来源之一，所以选择使用合适且适量的烧结助剂是制备高热导率氮化硅陶瓷的一个重要趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种高热导率、力学性能优异的氮化硅陶瓷材料。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种氮化硅陶瓷材料，所述的陶瓷材料包括氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属化合物，三者分别占陶瓷材料总质量的91-95wt％、2-4wt％和3-5wt％，且氟化镁的含量不大于稀土金属化合物的含量。与现有技术中碱土金属氧化物MgO、Al2O3等不同，本专利技术使用稀土金属化合物和MgF2作为复合烧结助剂，其中氟化镁可以在氮化硅陶瓷高温烧结形成液相过程中提供Mg2+以降低其液相形成温度，同时又避免了向氮化硅陶瓷中引入过多氧元素，从而直接减少晶格氧含量的来源，而晶格氧的减少有助于提高氮化硅陶瓷的热导率。根据研究表明，以MgF2与稀土金属化合物作为烧结助剂，在高温、气体保护的条件下一般会发生如下反应：2MgF2+2X2O3+4SiO2+Si3N4＝SiF4↑+4XSiO2N+2MgSiO3其中X为稀土元素，从上式可以看到，在高温、氮气气氛的条件下MgF2会与X2O3、Si3N4以及Si3N4表面的SiO2共熔产生晶界液相，其中部分硅原子和氟原子以气态SiF4的形式从氮化硅陶瓷中溢出，这对于减小晶界相含量至关重要，而晶界相的减少对于氮化硅陶瓷热导率的提高具有较大的帮助。再者，在氮化硅陶瓷的烧结过程中，添加适量的烧结助剂有利于氮化硅陶瓷的烧结。如果烧结助剂的含量太少，则形成的液相量不足，原始氮化硅粉末颗粒重排困难，溶解—再析出过程难以进行。如果烧结助剂含量太多，则会在晶粒之间形成较多的晶界玻璃相，其会降低氮化硅陶瓷的热导率。在氟化镁—稀土金属化合物的复合烧结助剂体系中，MgF2的含量不宜超过稀土化合物的含量，如MgF2添加过多，则会形成较多的SiF4气体，难以完全从陶瓷内部排出，必然降低氮化硅陶瓷的体积密度和热导率。稀土化合物的含量也不宜添加过多，适量的添加有助于吸引氮化硅晶粒中的氧原子，在晶界形成X(如Yb、Y、Er等)-Si-O-N化合物，从而降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量。而稀土化合物添加过多，也会向氮化硅陶瓷中引入较多的氧原子，导致晶格氧含量的提高。因此，本专利技术在氮化硅陶瓷中以适量的氟化镁和稀土化合物作复合烧结助剂，并严格控制他们之间的含量关系。在上述氮化硅陶瓷材料中，作为优选，所述的稀土金属化合物包括Y2O3、CeO2、Yb2O3、La2O3、Er2O3、Sm2O3、Dy2O3、Nd2O3中的一种或多种。进一步优选，所述的稀土金属化合物为Yb2O3、Er2O3、Sm2O3、Dy2O3、Nd2O3中的一种或多种。通过实验比对，同含量的稀土金属化合物中，使用Yb2O3、Er2O3、Sm2O3、Dy2O3、Nd2O3与氟化镁作烧结助剂制得的氮化硅陶瓷材料的热导率高，且力学性能好。在上述氮化硅陶瓷材料中，作为优选，氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属氧化物的平均粒径均为0.1-1μm。其中氮化硅粉体中Si3N4含量为总重量的92％以上，一般氮化硅表面都会含有少量SiO2；氟化镁的纯度高于99％，稀土金属化合物的纯度高于99％。本专利技术的目的还在于公开一种上述氮化硅陶瓷材料的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：按上述质量百分比称取氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属化合物，球磨后混合，将混合后的粉体装入模具，先抽真空，然后在气体保护下在1780-1900℃以及20-30MPa下热压烧结2-3h，制得氮化硅陶瓷材料。烧结的温度、压力以及烧结的时间对于最终氮化硅陶瓷材料都有较大的影响。氮化硅陶瓷是一种高温陶瓷，其烧结温度较高，需至少1700℃以上，才能够烧结出性能较好的氮化硅陶瓷。陶瓷的烧结驱动力主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述的陶瓷材料包括氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属化合物，三者分别占陶瓷材料总质量的91-95wt％、2-4wt％和3-5wt％，且氟化镁的含量不大于稀土金属化合物的含量。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述的陶瓷材料包括氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属化合物，三者分别占陶瓷材料总质量的91-95wt％、2-4wt％和3-5wt％，且氟化镁的含量不大于稀土金属化合物的含量。


2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述的稀土金属化合物包括Y2O3、CeO2、Yb2O3、La2O3、Er2O3、Sm2O3、Dy2O3、Nd2O3中的一种或多种。


3.根据权利要求1或2所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述的稀土金属化合物为Yb2O3、Er2O3、Sm2O3、Dy2O3、Nd2O3中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征在于，氮化硅粉体、氟化镁、稀土金属氧化物的平均粒径均为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：肖毅，
申请(专利权)人：常德科锐新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43