一种制备高强高韧高热导率氮化硅陶瓷的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备高强高韧高热导率氮化硅陶瓷的方法，包括：以总配料质量100%计，将硅粉体94～88%、烧结助剂6～12%均匀混合，经研磨、干燥后添加粘结剂造粒，压制成型制得陶瓷素坯，其中，所述烧结助剂包括稀土氧化物和碱土金属氧化物；将所述陶瓷素坯进行排胶后，在1380～1450℃氮化，得到氮化硅陶瓷坯体；以及将所述氮化硅陶瓷坯体置于1850～1950℃下气压烧结，得到所述氮化硅陶瓷材料。

A method of preparing high strength, high toughness and high thermal conductivity silicon nitride ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种制备高强高韧高热导率氮化硅陶瓷的方法
本专利技术涉及一种制备高强、高韧、高热导率氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备

技术介绍
氮化硅陶瓷具有优异的力学性能，包括高的抗弯强度和断裂韧性，良好的抗热震性，较低的高温蠕变性，同时较好的耐磨损、耐腐蚀性等特点，广泛应用于结构陶瓷领域，诸如汽车，航空航天和电子等。氮化硅的晶体结构由强共价键组成，导致材料烧结难度大，因此通常采用液相烧结制备致密氮化硅陶瓷材料。近年来，由于氮化硅陶瓷具有较高的理论热导率，成为大功率电力电子器件用散热基板候选材料。目前通常采用反应重烧结技术(SRBSN)制备高热导率氮化硅陶瓷，但是无法同时获得较高的强度和韧性，例如Zhu等报道通过1900℃保温12小时，材料的断裂韧性、抗弯强度和热导率分别为10.2±0.4MPa·m1/2，693±25MPa和93W/(m·K)。该方法氮化后得到的素坯以α-Si3N4为主。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出通过工艺控制并结合稀土氧化物和碱土金属氧化物作为烧结助剂来制备高强高韧、同时具有较高热导率的氮化硅陶瓷材料。在此，本专利技术提供一种制备氮化硅陶瓷材料的方法，包括：以总配料质量100％计，将硅粉体94～88％、烧结助剂6～12％均匀混合，经研磨、干燥后添加粘结剂造粒，压制成型制得陶瓷素坯，其中，所述烧结助剂包括稀土氧化物和碱土金属氧化物；将所述陶瓷素坯进行排胶后，在1380～1450℃氮化，得到氮化硅陶瓷坯体；以及将所述氮化硅陶瓷坯体置于1850～1950℃下气压烧结，得到所述氮化硅陶瓷材料。本专利技术使用硅粉体为原料，通过配方设计和工艺过程控制，制备具有高机械强度，同时具有优异热学性能的气压烧结氮化硅陶瓷。采用稀土氧化物作为烧结助剂，能够通过结合原料表面的SiO2形成化合物的形式降低晶格氧含量，如形成Y2Si3O3N4等，从而提高氮化硅陶瓷的热导率；同时不同的稀土氧化物对材料的晶粒形貌有着不同影响，从而影响材料的性质；且添加碱土金属氧化物可以降低熔点，促进氮化硅烧结。所述稀土氧化物可以包括Sc2O3、Y2O3、镧系稀土氧化物中的至少一种；所述碱土金属氧化物可以为MgO、CaO等。所述稀土氧化物与所述碱土金属氧化物的摩尔比可以为(1-3)：(4-8)。可以根据所述硅粉体的原始粒径调整研磨时间，使研磨后的硅粉体粒径在1μm以下。本专利技术针对不同粒径的原始硅粉进行优化球磨时间，减小粉体粒径，同时优化氮化温度，制备出含有较高β氮化硅含量的素坯材料。研磨的方式可以为球磨。所述研磨的时间可以为1-12h。所述压制成型的方式可以为干压成型和/或冷等静压成型，所述干压成型和/或冷等静压成型的压力范围在30～300MPa。所述硅粉体的粒径可以为0.5～15μm。所述排胶的工艺条件可以为：真空环境下，以1～30℃/分钟的升温速率升温至600-900℃保温1-4小时。所述氮化的工艺条件可以为：氮气或者氮氢混合气的气氛下，以1～30℃/分钟的升温速率升温至1380～1450℃反应4～12小时。所述气压烧结的工艺条件可以为：压力为0.1～5MPa的保护气氛下，以1～30℃/分钟的升温速率升温至1850～1950℃保温1～6小时。较短的烧结保温时间，防止晶粒异常长大，从而保证了材料的抗弯强度。另一方面，本专利技术还提供一种由上述制备方法制备得到的高热导率高强高韧氮化硅陶瓷材料。根据本专利技术，可获得力学性能优异且同时具备高热导率的氮化硅陶瓷。附图说明图1(a)和图1(b)分别为实施例2氮化反应后所得到样品的SEM图和XRD图；图2为实施例2烧结后所得到样品的SEM图。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术涉及一种利用气压烧结技术制备高强、高韧和高热导率氮化硅陶瓷的方法，包括：以总配料质量100％计，将硅粉体94～88％、烧结助剂6～12％均匀混合，烧结助剂体系包括选自Sc2O3、Y2O3、镧系稀土氧化物等中的至少一种稀土氧化物，以及碱土金属氧化物(例如MgO)。将所得陶瓷混合粉体研磨后添加粘结剂造粒，压制成型，得到陶瓷素坯；将陶瓷素坯低温排胶，脱粘后的素坯在1380～1450℃反应气体下氮化，并经1850～1950℃气压烧结，得到致密氮化硅陶瓷。以下，示例性说明本专利技术的制备氮化硅陶瓷的方法。本专利技术中，采用硅粉体作为硅源。硅粉体粒径范围在0.5～15μm，在该范围内，硅粉可以完全氮化，从而保证在后期烧结时得到致密的氮化硅陶瓷材料，可以有效的提高材料热导率。硅粉体的氧含量范围可以为0.32～0.88wt％，从而可以有效的控制烧结样品中的晶格氧含量，优选采用高纯硅粉体作为原料，纯度可以为99.99％以上，从而可以提高材料的热导率。本专利技术采用多元烧结助剂，烧结助剂体系包括稀土氧化物和碱土金属氧化物。稀土氧化物可以包括Sc2O3、Y2O3、镧系稀土氧化物等中的至少一种。本专利技术中，如未特别指出，镧系稀土氧化物包括Yb2O3、Lu2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3。碱土金属氧化物可以为MgO和CaO等。稀土氧化物与碱土金属氧化物的摩尔比可以为(1-3)：(4-8)，该范围具有能够在较低的温度形成液相的优点。烧结助剂粒径可小于5μm，这样可以更均匀的分散在陶瓷颗粒周围。烧结助剂的纯度可以为99％以上，从而可以引入较少的杂质。首先，按一定比例将硅粉体与烧结助剂混合均匀，经研磨、干燥得到混合粉体。可以是以总配料质量100％计，将硅粉体94～88％(质量百分比)、烧结助剂6～12％(质量百分比)均匀混合。当硅粉体与烧结助剂的质量比为(94～88)：(6～12)时，可保证后期材料具有较高致密度。可以根据所述硅粉体的原始粒径调整研磨时间，使研磨后的硅粉体粒径在1μm以下。本专利技术针对不同粒径的原始硅粉进行优化球磨时间，减小粉体粒径，同时优化氮化温度，制备出含有较高β氮化硅含量的素坯材料。研磨的方式可以为球磨。所述研磨的时间可以为1-12h。研磨方式可以为湿法球磨，可以在球磨混合后经干燥、过筛得到陶瓷混合粉体。湿法球磨可以包括：料：球：溶剂比例为(1-3)：(2-5)：(2-7)，溶剂可以为无水乙醇、2-丁酮、二甲苯等，转速在200-400转/分钟，时间1～12小时。干燥的方式可以为真空干燥或者旋转蒸发干燥。过筛的目数范围可以为100～300目。在一个示例中，通过行星式球磨机湿法球磨1～12小时，转速在200-400转/分钟，得到陶瓷浆料，然后采用真空干燥或者旋转蒸发将所得的浆料干燥得到混合粉体；经过过筛得到混合陶瓷粉体，其中筛网目数范围为100～300目。可以通过研磨将较大硅粉粒径减小至0.5μm以下，优选使硅粉体粒径小于0.5μm。通过将硅粉磨细，可促进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备氮化硅陶瓷材料的方法，其特征在于，包括：/n以总配料质量100%计，将硅粉体94～88%、烧结助剂6～12%均匀混合，经研磨、干燥后添加粘结剂造粒，压制成型制得陶瓷素坯，其中，所述烧结助剂包括稀土氧化物和碱土金属氧化物；/n将所述陶瓷素坯进行排胶后，在1380～1450℃氮化，得到氮化硅陶瓷坯体；以及/n将所述氮化硅陶瓷坯体置于1850～1950℃下气压烧结，得到所述氮化硅陶瓷材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备氮化硅陶瓷材料的方法，其特征在于，包括：
以总配料质量100%计，将硅粉体94～88%、烧结助剂6～12%均匀混合，经研磨、干燥后添加粘结剂造粒，压制成型制得陶瓷素坯，其中，所述烧结助剂包括稀土氧化物和碱土金属氧化物；
将所述陶瓷素坯进行排胶后，在1380～1450℃氮化，得到氮化硅陶瓷坯体；以及
将所述氮化硅陶瓷坯体置于1850～1950℃下气压烧结，得到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，所述稀土氧化物包括Sc2O3、Y2O3、镧系稀土氧化物中的至少一种；所述碱土金属氧化物为MgO和/或CaO。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物与所述碱土金属氧化物的摩尔比为（1-3）：（4-8）。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述硅粉体的原始粒径调整研磨时间，使研磨后的硅粉体粒径在1μm以下。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张景贤，段于森，刘宁，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所苏州研究院，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32