【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷材料，具体涉及一种具有蜂窝状定向结构的aln多孔陶瓷的制备方法。
技术介绍
1、aln具有热导率高、电绝缘性好、介电系数低、热膨胀与硅匹配等优点，是一种综合性能优异的陶瓷材料，是较为理想的基板材料和电子器件封装材料之一。aln多孔陶瓷具有aln和多孔陶瓷的优良性能，还具有密度低、气孔率大等特点，当控制陶瓷中的孔结构实现各向异性排布时，沿管道方向可形成导热通路，使aln多孔陶瓷具有定向的高热导率，可作为导热骨架应用于导热复合材料及相变材料，大幅度提高复合材料的热学性能和力学性能，并在航空、环保、通讯电力等领域具有广泛的应用前景。
2、专利技术专利《多孔氮化铝陶瓷材料的制备方法》(公开号：cn 105503236a)通过煅烧铝硅酸盐原材料得到活性铝硅酸盐，然后与碳素混合得到球磨混合物，将碱金属加入到硅溶胶里，经过磁力搅拌得到碱激发溶液，接下来将球磨混合物和碱激发溶液混合得到无机聚合物混合料，再经过固化、烧结最终得到aln多孔陶瓷材料，该方法所制备的aln多孔陶瓷材料不具有定向结构，且工艺复杂、周期较长。
3、专利技术专利《一种采用冷冻干燥和燃烧合成法快速制备的定向多孔氮化铝蜂窝陶瓷及其方法》(公开号：cn111056846a)以al粉和aln粉为原料，在放电等离子烧结炉中进行无压快速烧结制备定向多孔aln陶瓷，虽然工艺简单、周期短，但其中al粉可燃，细粉与空气易形成易燃易爆的混合物，存在安全隐患，且原料中使用了aln粉，其不仅价格高昂，而且由于其易水解性，只能在冷冻干燥过程中只能采用有机溶剂
4、因此，利用廉价的原材料和简单的制备工艺直接合成具有定向结构的多孔aln骨架具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术针对制备蜂窝状结构aln多孔陶瓷的现有方法存在的问题，提出一种创新的原位反应策略，以低成本的al2o3和碳纤维为原料，通过冷冻干燥结合碳热还原技术直接制备具有定向蜂窝状结构的aln多孔陶瓷。碳热还原氮化法是制备aln常用的方法，其总反应式为：
2、al2o3(s)+3c(s)+n2(g)→2aln(s)+3co(g) (1)
3、该方法一般用于合成aln粉体，很少有用该方法直接合成aln陶瓷的报道，这主要是因为碳热还原法是反应前后固相含量减少的反应，在初始坯体中al2o3和c颗粒均匀混合，碳热还原反应后al2o3原位转变为aln，但c被逐渐消耗，因而aln颗粒不能紧密连接，所以坯体反应之后很难保持强度，即难以获得稳定的aln骨架。
4、本专利技术可以通过冷冻干燥结合碳热还原直接合成出具有高机械强度的蜂窝状aln多孔陶瓷，其中的关键主要有三点：(1)所用的碳源为碳纤维，碳纤维为高长径比的碳源，坯体中的al2o3可以充分负载在碳纤维的表面，使al2o3颗粒之间连接更为紧密，因此经过原位反应后生成的aln颗粒之间也紧密连接形成网络，即使c消耗及排除后，aln颗粒之间的紧密连接也可以提供足够的强度从而形成aln多孔陶瓷；(2)原料中添加了烧结助剂，可以与al2o3反应生成低熔点的液相，在碳热还原反应中利用液相溶解-析出机制可进一步促进aln颗粒的烧结和致密化，进一步提高aln多孔陶瓷的强度；(3)本专利技术使用冷冻干燥法构筑了具有定向排列结构的al2o3/碳纤维骨架，在冷冻过程中，沿温度梯度方向生长的冰晶，可有效挤压并促使al2o3颗粒沿单一方向排列，不仅提供定向的内部结构，而且进一步促进al2o3颗粒之间的紧密接触，从而获得更为致密的多孔aln陶瓷。
5、具体而言，本专利技术提供了一种具有蜂窝状定向结构的aln多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
6、(1)混料：将氧化铝粉、烧结助剂、聚丙烯酸铵和去离子水混合球磨制备浆料，向球磨好的浆料中加入聚丙烯醇水溶液和碳纤维粉，进行机械搅拌和真空除泡后，得到混合浆料；
7、(2)定向冷冻和冷冻干燥：将(1)中得到的浆料转移到模具中，放入低温乙醇浴中进行定向冷冻处理，然后将冷冻后的样品在冷冻干燥机中干燥；
8、(3)烧结：将(2)中得到的产物转移至石墨坩埚并放置于气氛烧结炉中，在氮气流通气氛下进行烧结，然后自然冷却；
9、(4)除碳：将(3)中得到的产物放入马弗炉中，升温到600～800℃，保温1～5小时，以去除多余的碳，最终得到具有蜂窝状结构的aln多孔陶瓷。
10、进一步地，步骤(1)中，氧化铝为α-al2o3或γ-al2o3，平均粒径为0.1～2μm；碳纤维粉目数为100～2000，长径比为5:1～20:1，al2o3与碳纤维粉重量比为1:1～3:1，去离子水的添加量为氧化铝粉与碳粉总质量的0.6～4倍。
11、进一步地，烧结助剂选自y2o3、sio2、caf2中的一种或几种，添加量为氧化铝粉质量的0.5～5％；聚丙烯酸铵为分散剂，添加量为氧化铝粉质量的0.05～0.5％；聚丙烯醇为粘结剂，添加量为氧化铝粉质量的0.1％～1％。
12、进一步地，步骤(1)中，球磨时间为6～24小时，转速为200～400转/分钟，机械搅拌时间为20～80分钟，真空除泡在真空除泡机中进行，时间为20～80分钟。
13、进一步地，步骤(2)中，采用底部为铜片，四周为聚四氟乙烯的模具。这种模具有冷冻温度梯度，定向效果优于常规模具。
14、进一步地，步骤(2)中，定向冷冻温度为-50～-100℃，冷冻干燥温度-100～-20℃，干燥时间为12～48小时。
15、进一步地，步骤(3)中，是先以5～20℃/min加热到400～1000℃，保温0.5～3小时，然后以5～40℃/min加热到1750～1900℃，保温1～5小时。
16、本专利技术还提供了所述方法制备得到的具有蜂窝状定向结构的aln多孔陶瓷。
17、本专利技术的创新思路在于，以低成本的al2o3和碳纤维为原料，通过冷冻干燥结合碳热还原技术直接合成具有定向蜂窝状结构的aln多孔陶瓷，在碳纤维、烧结助剂和冰模板法的共同作用下促进aln多孔陶瓷机械强度的提升。
18、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
19、1.本专利技术使用氧化铝粉和碳纤维粉为原料，去离子水为溶剂，所使用试剂安全无毒，且成本低廉，不仅简化了制备工艺，降低了生产成本，而且完全消除了aln的水解问题，适用于工业生产。
20、2.本专利技术利用冷冻干燥技术，与传统的发泡法制备多孔陶瓷相比，生坯内部可形成沿温度梯度的定向结构，且具有孔结构均匀、可控的优点，与传统aln陶瓷相比具有更高的纵向热导率和力学强度。
21、3.本专利技术制备的具有蜂窝状结构的aln多孔陶瓷具有抗压强度高、热导率高、介电常数低等综合性能优异的特点，可作为热传导骨架应用于相变材料、热界面材料等，并在航空、环保、通讯电力等领域具有广泛的应用前景。
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1.一种具有蜂窝状定向结构的AlN多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化铝为α-Al2O3或γ-Al2O3，平均粒径为0.1～2μm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碳纤维粉目数为100～2000，长径比为5:1～20:1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，Al2O3与碳纤维粉重量比为1:1～3:1，去离子水的添加量为氧化铝粉与碳粉总质量的0.6～4倍。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，烧结助剂选自Y2O3、SiO2、CaF2中的一种或几种，添加量为氧化铝粉质量的0.5～5％；聚丙烯酸铵为分散剂，添加量为氧化铝粉质量的0.05～0.5％；聚丙烯醇为粘结剂，添加量为氧化铝粉质量的0.1％～1％。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，球磨时间为6～24小时，转速为200～400转/分钟，机械搅拌时间为20～80分钟，真空除泡在真空除泡机中进行，时间为20～80分钟
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，采用底部为铜片，四周为聚四氟乙烯的模具。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，定向冷冻温度为-50～-100℃，冷冻干燥温度-100～-20℃，干燥时间为12～48小时。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，是先以5～20℃/min加热到400～1000℃，保温0.5～3小时，然后以5～40℃/min加热到1750～1900℃，保温1～5小时。
10.根据权利要求1至9任一项所述方法制备得到的具有蜂窝状定向结构的AlN多孔陶瓷。
...【技术特征摘要】
1.一种具有蜂窝状定向结构的aln多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化铝为α-al2o3或γ-al2o3，平均粒径为0.1～2μm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碳纤维粉目数为100～2000，长径比为5:1～20:1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，al2o3与碳纤维粉重量比为1:1～3:1，去离子水的添加量为氧化铝粉与碳粉总质量的0.6～4倍。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，烧结助剂选自y2o3、sio2、caf2中的一种或几种，添加量为氧化铝粉质量的0.5～5％；聚丙烯酸铵为分散剂，添加量为氧化铝粉质量的0.05～0.5％；聚丙烯醇为粘结剂，添加量为氧化铝粉质量的0.1％～1...
【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，于畅，李孟沂，王保凯，牛梦阳，孙畅，袁昀琪，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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