具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷材料及制备方法。以α

【技术实现步骤摘要】
具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷材料及制备方法，具体涉及一种以α
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Si3N4粉和Si粉为主要原料，以无氧稀土化合物/无氧镁化合物为二元复合烧结助剂，通过两步烧结制备氮化硅陶瓷的方法，属于陶瓷材料


技术介绍

[0002]随着5G通讯系统、高速铁路、新能源汽车、航空航天、太阳能及风力发电等技术的飞速发展要求大功率器件朝着小型化和高度集成化方向发展，然而体积越小、集成度越高将导致系统在工作中产生极高的热量，如果热量不及时扩散到外界，将导致功率器件的性能急剧下降，这要求大功率器件中的陶瓷基片具有高导热性能。同时，由于使用工况不同，如功率器件可能在高低温循环、震动、腐蚀等恶劣条件下使用，除了要求导热陶瓷基片具有高热导性能外、还应具有高机械强度、高断裂韧性等特性。目前，市面上常用的陶瓷基板有氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等。其中氮化铝(AlN)陶瓷具有很高的理论热导率(320W
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‑1)被广泛用作电子器件的主要陶瓷基板。但其力学性能较差，如弯曲强度为300～400MPa，断裂韧性为3～4MPa
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，导致氮化铝基板的可靠性低，使用寿命较短。而应用较为广泛的Al2O3陶瓷因为热导率较低已经不适合新型大功率半导体器件的高要求。而氮化硅(Si3N4)陶瓷作为综合性能最好的陶瓷材料，其具有高导热(理论热导率200～320W
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‑1)、高强度(600～800MPa)、高韧性(6.0～8.0MPa
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)和高可靠性(
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40～150℃条件下循环≥5000次)等优点，在高导热陶瓷材料领域显示出巨大的应用潜力。
[0003]然而，目前氮化硅陶瓷在高导热陶瓷材料领域的发展仍然受限。根据现有技术的调研发现限制氮化硅大规模应用的核心问题在于实际制备得到的氮化硅陶瓷热导率较低，而限制其热导率的主要因素为晶格氧含量。目前，高导热氮化硅陶瓷主要是通过长时间保温热处理延长溶解析出过程使晶粒充分长大，纯化晶格，减少晶界相含量的方法制备得到的。这种方法不仅能耗高、周期长，而且高温下长时间热处理使得晶粒过分生长，恶化了强度，削弱了其可靠性，不能很好的兼顾力学性能和导热性能。专利CN 112159237 B公开了一种高导热氮化硅陶瓷材料及其制备方法，以α
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Si3N4为原料，稀土氧化物和金属镁为烧结助剂，制备出的氮化硅陶瓷材料热导率为77.56～130.20W
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‑1，抗弯强度为605～1021MPa。专利CN 112661518 A公开了一种高导热氮化硅陶瓷绝缘板及其制备方法，以α
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Si3N4为原料结合三种氧化物烧结助剂通过气压烧结保温12～24h制备氮化硅陶瓷绝缘板抗弯强度≥600MPa，热导率≥100W
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‑1，介电常数为7～9。Zhou You等人(Zhou Y,Hyuga H,Dai K,et al.A Tough Silicon Nitride Ceramic with High Thermal Conductivity[J].Advanced Materials,2011,23(39):4563
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4567.)通过使用Si粉为原料，Y2O3和MgO为烧结助剂，反应结合重烧结保温60h制备出热导率177W
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‑1的氮化硅陶瓷。王为得等人(Wang,W,Yao,D,Liang,H,etal.Effect of the binary nonoxide additives on the densification behavior and thermal conductivity of Si3N
4 ceramics.J Am Ceram Soc.2020；103:5891
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5899.)以ZrSi2‑
MgSiN2为烧结助剂，通过气压烧结保温12h制备了热导
率为117.32W
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‑1的氮化硅陶瓷，而相同条件下以ZrO2‑
MgO为烧结的氮化硅陶瓷的热导率仅为88.81W
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‑1。这些现有技术主要存在以下不足：一、大部分现有技术研究使用的都是单一原料。由于α
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Si3N4具有比Si粉更高的氧含量，因此，单独使用α
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Si3N4粉会使体系的含氧量增高。而单独使用Si粉虽含氧量较低，但容易发生融硅现象，影响氮化硅陶瓷的致密化过程。二、双氧化物烧结助剂或氧化物/非氧化物烧结助剂的使用都会引入额外的氧，使液相N/O降低，液相量增加，造成声子散射，从而使氮化硅陶瓷的热导率降低。三、二元无氧化物烧结助剂ZrSi2‑
MgSiN2虽已经被现有技术证明其可以有效地降低体系内的氧含量，提高氮化硅陶瓷的热导率，但目前关于二元无氧化物烧结助剂的研究还十分少，并且还没有关于无氧稀土化合物/无氧镁化合物二元复合烧结助剂的相关技术报道。四、大部分现有技术通过长时间保温(超过12h，最高达到60h)以获得高导热氮化硅陶瓷，这样做无疑恶化了其力学性能，降低了其可靠性。

技术实现思路

[0004]基于以上问题，本专利技术提供了一种以α
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Si3N4粉和Si粉为主要原料，以无氧稀土化合物/无氧镁化合物为二元复合烧结助剂，通过两步烧结制备具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷的方法。通过优化原料和烧结助剂的配比来减少体系内氧的引入，降低了氧在氮化硅陶瓷晶相晶格中的固溶量，减少了氧缺陷造成的声子散射，有利于导热系数提升。通过两步烧结方式对氮化硅微观结构进行调控。在第一步预烧结过程后，Si粉氮化生成的β
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Si3N4晶粒分布在预烧结坯体中。在第二步气压烧结过程中，这些形成的β
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Si3N4在溶解析出过程中作为晶种，促进了长柱状β
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Si3N4晶粒的生长，同时晶种周围新生成的晶核生长为较小晶粒，形成了突出的双峰形貌。此外，本专利技术所制备的氮化硅陶瓷其微观结构具有玻璃相分布在三叉晶界处且晶粒连续的特点。图1和图2分别为实施例3和实施例6试样的断面SEM图，图中标注对应了上述得到的微观结构特征。图1箭头说明玻璃相集中在三叉晶界处，晶粒呈现双峰粒度分布。图2箭头同样说明玻璃相集中在三叉晶界处，晶粒呈现双峰粒度分布，并且第二相含量减少的同时晶粒间连续性现象明显。本专利技术在保证高热导率的情况下，尽可能的缩短保温时间，防止晶粒过分长大恶化其力学性能，使热导率与力学性能达到最佳的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有优异力学性能的高导热氮化硅陶瓷材料，其特征是，以α
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Si3N4粉和Si粉为主要原料，以无氧稀土化合物/无氧镁化合物为二元复合烧结助剂，通过两步烧结的方法制备氮化硅陶瓷材料。2.如权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征是，所制备氮化硅陶瓷的主晶相是β
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Si3N4，其来源于两个方面，一是由原料中的α
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Si3N4粉在烧成过程中相转变而来，二是由原料中的Si粉在高温过程中氮化得到；所述的氮化硅陶瓷的主晶相β
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Si3N4，其中来自原料中α
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Si3N4的份数占其总量的90％
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50％；来自原料中的Si粉氮化生成的份数占其总量的10％
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50％。3.如权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征是，其主晶相β
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Si3N4与烧结助剂的摩尔比为85：15
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95：5。4.如权利要求1所述的氮化硅陶瓷材料，其特征是，所述的二元复合烧结助剂是由无氧稀土化合物和无氧镁化合物组成的；其中，无氧稀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓雷，刘云，周淼，林彬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：