【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及先进陶瓷材料，具体涉及一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷及其制备方法。
技术介绍
1、氧化铝(al2o3)陶瓷由于其优异的电气和机械性能以及可接受的成本，被广泛用作各种应用的衬底和封装材料。然而，由于其导热系数低(小于30w m-1k-1)和与硅的热膨胀系数不相容，al2o3在先进的超大规模集成电路和高功率led中的广泛适用性受到了极大的限制。与al2o3相比，氮化铝(aln)不仅具有更高的导热系数(固有导热系数≈319w m-1k-1)，而且与硅的热膨胀系数更相容。然而，aln的抗氧化性低、机械强度低、烧结温度高、生产成本高等缺点限制了其广泛应用。因此，al2o3/aln复合陶瓷作为一种新的体系，其中al2o3可以提供高温抗氧化性和机械强度，而aln的加入有助于提高整个体系的导热性和降低热膨胀系数。al2o3与aln的结合可以实现两种材料的优势互补，扩大其应用范围。
2、此外，有研究表明，aln在高温下(>1500℃)与al2o3反应生成氮氧化铝(alon)，导致复合陶瓷的热性能和力学性能恶化。由于alon的导热系数非常低(≈10w m-1k-1)，它的形成可以显著降低烧结al2o3/aln复合陶瓷的导热系数。同时，alon比初始al2o3/aln混合物具有更大的比容，导致al2o3/aln复合结构陶瓷膨胀并形成大孔隙，从而导致其相对密度和机械强度下降。从这些研究结果可以看出，alon的最小化对于提高al2o3/aln复合结构陶瓷的断裂强度和导热性起着重要作用。
3、cn11227
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷及其制备方法，该方法工艺简单，所制备得到的多层复合结构陶瓷能有效减少alon的产生，实现al2o3与aln两种材料的优势互补，具有高导热和高力学性能的特点。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷，所述多层复合结构陶瓷是通过al2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯上下依次叠层制备而成的复合结构，且相邻的al2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯之间均设置有y2o3单层陶瓷素坯。
3、本专利技术还提供一种上述高热导、高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，具体步骤如下：
4、(1)制备al2o3单层陶瓷素坯、y2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯：
5、(1-1)分别称取原料粉体al2o3粉体、y2o3粉体和aln粉体，将al2o3粉体、y2o3粉体分别与烧结助剂a混合得到al2o3混合粉体、y2o3混合粉体，将aln粉体与烧结助剂b混合得到aln混合粉体；
6、(1-2)以无水乙醇作为球磨介质，将步骤(1-1)得到的al2o3混合粉体、y2o3混合粉体、aln混合粉体分别与分散剂球磨混合，然后分别加入粘结剂和增塑剂，继续球磨来得到al2o3浆料、y2o3浆料、aln浆料；
7、(1-3)将al2o3浆料、y2o3浆料、aln浆料分别进行除泡，除泡后分别倒入流延机的料槽中进行流延，干燥成型后得到al2o3单层陶瓷素坯、y2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯；
8、(2)将步骤(1)制备得到的al2o3单层陶瓷素坯、y2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯依次按照al2o3/y2o3/aln/y2o3的顺序循环叠层后形成复合结构流延片，再将复合结构流延片通过等静压成型得到复合结构陶瓷素坯；
9、(3)将复合结构陶瓷素坯置于马弗炉中进行排胶处理，再将排胶处理后的复合结构陶瓷素坯置于高温下烧结，最后进行双面抛光即得多层复合结构陶瓷。
10、优选的，步骤(1-1)中，所述烧结助剂a为mgo和teos，加入的量分别为原料粉体质量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述烧结助剂b为y2o3、caf2、nb2o5、zro2中的任意一种或几种，所述烧结助剂的添加量为原料粉体质量的3～8％。
11、优选的，步骤(1-2)中，所述分散剂为鲱鱼油、油酸、柠檬酸钠、聚丙烯酸、np-10中的任意一种或几种，所述分散剂的添加量为原料粉体质量的3～10％。
12、优选的，步骤(1-2)中，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯，所述粘结剂的添加量为原料粉体质量的2～8％。
13、优选的，(1-2)中，所述增塑剂为苄基邻苯二甲酸酯、聚乙烯醇、过氧化特戊酸特丁酯、甘油中的任意一种或几种，所述增塑剂的添加量为原料粉体质量的2～7％。
14、优选的，步骤(1-3)中，al2o3单层陶瓷素坯、y2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯的厚度均为0.05～1mm。
15、优选的，步骤(2)中，叠层总数量为20～40层，叠层后的复合结构流延片的厚度为1～20mm。
16、优选的，步骤(3)中，所述排胶制度为：在流动氮气气氛中，以0.2～5℃/min升温到500℃，再以5～10℃/min升温到900℃，在900℃保温5～8h。
17、优选的，步骤(3)中，所述烧结温度为1700～1800℃，烧结时间为5～12h，烧结气氛为氢气与氮气的混合气氛，所述氢气与氮气之间的体积比为1:(1～2)。
18、与现有技术方案相比，本专利技术具有以下优点：
19、(1)本专利技术通过在al2o3陶瓷和aln陶瓷之间引入y2o3陶瓷间断层，能有效减少alon的产生，实现al2o3与aln两种材料的优势互补，扩大其应用范围，所得多层复合结构陶瓷的导热系数、抗弯强度和断裂性分别达40w m-1k-1、700mpa和15mpa·m-0.5；
20、(2)本专利技术采用流延成型与等静压成型相结合的粉体成型工艺来提高复合结构陶瓷流延生坯的密度，来进一步减少坯体在烧结过程中的收缩，从而有助于获得高热导、高力学性能的多层复合结构陶瓷。
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1.一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷，其特征在于，所述多层复合结构陶瓷是通过Al2O3单层陶瓷素坯和AlN单层陶瓷素坯上下依次叠层制备而成的复合结构，且相邻的Al2O3单层陶瓷素坯和AlN单层陶瓷素坯之间均设置有Y2O3单层陶瓷素坯。
2.一种权利要求1所述的高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-1)中，所述烧结助剂A为MgO和TEOS，加入的量分别为原料粉体质量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述烧结助剂B为Y2O3、CaF2、Nb2O5、ZrO2中的任意一种或几种，所述烧结助剂的添加量为原料粉体质量的3～8％。
4.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，所述分散剂为鲱鱼油、油酸、柠檬酸钠、聚丙烯酸、NP-10中的任意一种或几种，所述分散剂的添加量为原料粉体质量的3～10％。
5.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学
6.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，所述增塑剂为邻苯二甲酸苄基丁酯、聚乙烯醇、过氧化特戊酸特丁酯、甘油中的任意一种或几种，所述增塑剂的添加量为原料粉体质量的2～7％。
7.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-3)中，Al2O3单层陶瓷素坯、Y2O3单层陶瓷素坯和AlN单层陶瓷素坯的厚度均为0.05～1mm。
8.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，叠层总数量为20～40层，叠层后的复合结构流延片的厚度为1～20mm。
9.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述排胶制度为：在流动氮气气氛中，以0.2～5℃/min升温到500℃，再以5～10℃/min升温到900℃，在900℃保温5～8h。
10.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述烧结温度为1700～1800℃，烧结时间为5～12h，烧结气氛为氢气与氮气的混合气氛，所述氢气与氮气之间的体积比为1:(1～2)。
...【技术特征摘要】
1.一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷，其特征在于，所述多层复合结构陶瓷是通过al2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯上下依次叠层制备而成的复合结构，且相邻的al2o3单层陶瓷素坯和aln单层陶瓷素坯之间均设置有y2o3单层陶瓷素坯。
2.一种权利要求1所述的高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-1)中，所述烧结助剂a为mgo和teos，加入的量分别为原料粉体质量的0.2～0.7wt.％和0.4～0.6wt.％；所述烧结助剂b为y2o3、caf2、nb2o5、zro2中的任意一种或几种，所述烧结助剂的添加量为原料粉体质量的3～8％。
4.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，所述分散剂为鲱鱼油、油酸、柠檬酸钠、聚丙烯酸、np-10中的任意一种或几种，所述分散剂的添加量为原料粉体质量的3～10％。
5.根据权利要求2或3所述的一种高热导高力学性能多层复合结构陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯，所述粘结剂的添加量为原料粉体质量的2～8％。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：张乐，魏聪，周天元，康健，邵岑，田吻，桑鹏飞，周春鸣，李延彬，陈浩，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：
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