一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法.pdf

一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法属于功能陶瓷领域。本发明特征：氮化硼前驱体C3N6H12B2O6与氮化铝颗粒一起在非氧环境中煅烧，优选地使用氮气或氢气作为环境气氛，生成纯净的氮化铝/氮化硼复合粉体，氮化硼在氮化铝基体中均匀弥散无团聚；该复合粉与一种稀土氧化物添加剂充分混合，添加剂可以是氧化钇、氧化钐、氧化镝中的一种，优选地采用氧化钇，置于放电等离子烧结炉中，抽真空以100－200℃/分钟的速度升温到1600℃－1800℃进行烧结，烧结保温5－20分钟，800℃－1000℃保温10－30分钟随即关闭电源随炉冷却。该方法得到的氮化铝/氮化硼复相陶瓷同时具备高强度、良好的可加工性和高热导率。

权利要求书
1.  一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)称取平均粒径0.2-2um的AlN微粉和BN前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体重量含量28％-47％，其余为AlN；把BN前驱体C3N6H12B2O6与AlN粉体充分混合，在N2或H2气氛中1300℃-1500℃煅烧1-2小时形成AlN/BN复合粉体；
2)加入一种稀土氧化物作为添加剂，其重量含量占最终混合物料的3％-10％；稀土氧化物是氧化钇、氧化钐、氧化镝中的一种；
3)将物料球磨混合3-12小时，干燥后，装入石墨模具；
4)将上述装有物料的模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30-50MPa，抽真空使炉腔气压处于6Pa以下，通电加热，以100-200度/分钟的速度升温到1600℃-1800℃进行烧结，烧结保温5-20分钟，随后降温至800℃-1000℃保温10-30分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得致密的氮化铝/氮化硼复相陶瓷。

2.  根据权利要求1所述的制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法，其特征在于，所述的稀土氧化物采用氧化钇。

说明书一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法
技术领域
一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法，具有高强度、高导热和易于机械加工的特性，属于功能陶瓷制备技术领域。
背景技术
氮化铝陶瓷具有高的热导率等一系列优良性能，是理想的半导体基片材料和大功率电子器件的封装材料。随着器件发展朝着多功能化和小型化不断推进，相应地要求材料具有高的综合性能，从单纯追求单一高性能转向多功能化，能够在复杂的使用环境中要求兼顾各种性能。因此要求氮化铝陶瓷不仅有高的热导率、优良的加工性能，而且保持高的力学强度。
与大多数陶瓷材料一样，由于在烧结后难以机械加工的固有缺陷，很难制备出一些具有复杂形状和小体积的氮化铝陶瓷部件。六方氮化硼弥散的复相陶瓷材料是目前综合性能最为突出的一类可加工陶瓷。具有出色的高温耐蚀性、抗热震性，以及低模量和能够用硬质合金刀具进行精密机械加工，满足复杂形状构件对材料成型的苛刻要求。除此之外，六方氮化硼还具有出色的热导率，虽然远不及氮化铝，也能够达到40-60W/m·K。当氮化铝基体中引入适量的氮化硼，可以较好地兼顾热导性和可加工性。目前，具有高度定向组织的氮化铝/氮化硼陶瓷在虽然在平行于氮化硼晶体c轴方向热导率达到200W/m·K以上，但垂直方向热导率降低到85W/m·K以下，强度也呈现各向异性，c轴方向在350MPa以下，而垂直方向仅为100MPa左右或更低；未取向生长的氮化铝/氮化硼可加工陶瓷可以达到100-140W/m·K之间，但强度通常在300MPa左右。就制备工艺而言，氮化铝/氮化硼复相陶瓷大都是以微米级氮化硼作为第二相，通过机械混合、烧结而成。由于六方氮化硼陶瓷的弯曲强度很低(100MPa左右)，添加到陶瓷基体中会导致强度劣化，而且氮化硼粉末团聚不易打开，在烧结过程中很容易聚集生长形成大的缺陷，致使材料实际强度与氮化铝陶瓷相比降低幅度过大，其力学可靠性无法满足高端应用对强度的要求。
要获得高强度氮化铝/氮化硼可加工陶瓷，其显微组织必须满足这样的特点，即氮化硼晶粒尺寸应当远远小于氮化铝基体晶粒尺寸，尽可能保持细小且均匀弥散在晶界，不发生聚集长大。这样的结构特点可以增大氮化铝晶粒之间的接触面积，同样有利于保持高的热导率。从烧结方法来看，为了尽可能地保持氮化铝/氮化硼复相陶瓷的热导率，往往需要在1800℃以上的高温进行长时间烧结，确保氮化铝晶粒充分长大并紧密接触，但在这一过程中氮化硼晶粒也同样长大并聚集，这对于导热性能和力学性能都是不利的。日本人Kusunose T等利用硼酸、尿素作为氮化硼前驱体，将纳米级氮化硼包覆到氮化铝颗粒表面，以此消除氮化硼晶粒团聚的问题，并且在热压烧结后氮化硼晶粒保持在纳米级范围内，他们得到了弯曲强度高达600MPa以上的氮化铝/氮化硼复相陶瓷(氮化硼体积分数15％-30％)(Kusunose T，Sekino T，KimBS，Choa Y H，et al.Mater Sci Forum，2003，439：131-136)，很好地兼顾了强度和可加工性。然而，硼酸和尿素在反应过程中生成液相和气相氧化硼将少量氮化铝氧化，给体系中带入额外的氧，氧含量从1.1％增加到5.6％，从而使材料的热导率大幅降低，仅为37W/m·K。另外，采用热压烧结需要高的烧结温度(1800-1850℃)和长时间保温(2-4小时)，制备周期长，效率非常低，从而很大程度上限制了此类材料的应用。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种快速低温制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法，所制备的材料具备兼顾高强度、良好的可加工性和高的热导率。该方法通过以下技术构想来实现：采用硼酸和三聚氰胺以摩尔比2∶1溶于热水中反应制得氮化硼前驱体C3N6H12B2O6，然后与氮化铝混合后进行高温热处理，前驱体C3N6H12B2O6经高温反应原位生成氮化硼，得到均匀弥散的氮化铝/氮化硼复合粉体，这种前驱体在反应生成氮化硼的过程中不产生液相，不会明显给体系中带入氧杂质；选用合适的烧结添加剂，用以降低氮化铝的烧结温度，促进其烧结致密化，因而会造成氮化铝和氮化硼烧结扩散系数的差异；利用放电等离子烧结技术低温快速的特点，实现对该体系的烧结，使氮化铝充分致密化，形成晶粒紧密接触的结构，而氮化硼在烧结过程中长大幅度较小，使氮化硼细晶均匀弥散在氮化铝基体晶界，对氮化铝晶粒的直接接触不够成大的阻碍，以此实现高导热、高强度和可加工性的统一。
一种制备氮化铝/氮化硼复相陶瓷的方法，其特征包括如下步骤：
1)称取平均径0.2-2um的AlN微粉和BN前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体C3N6H12B2O6重量含量28％-47％，其余为AlN；把BN前驱体C3N6H12B2O6与AlN粉体充分混合，在N2或H2气氛中1300℃-1500℃煅烧1-2小时形成AlN/BN复合粉体；
2)加入一种稀土氧化物作为添加剂，其重量含量占最终混合物料的3％-10％；稀土氧化物是氧化钇、氧化钐、氧化镝中的一种；所述的稀土氧化物优选采用氧化钇；
3)将物料球磨混合3-12小时，干燥后，装入石墨模具；
4)将装有物料的模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30-50MPa，抽真空使炉腔气压处于6Pa以下，通电加热，以100-200度/分钟的速度升温到1600℃-1800℃进行烧结，烧结保温5-20分钟，随后降温至800℃-1000℃保温10-30分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得致密的氮化铝/氮化硼复相陶瓷。
本发明的优点在于工艺过程简单，烧结时间短(总烧结过程40-90分钟)，具有节能高效快速的特点。利用本发明方法制备出的材料同时具有高强度、高导热、易加工的性能特点。
具体实施方式
实施例1：
称取平均粒径0.2μm的氮化铝微粉和氮化硼前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体C3N6H12B2O6重量含量28％，充分混合后在N2气氛中1300℃煅烧2小时，冷却后测定氧含量为1.3％；再加入氧化镝，其重量占最终混合物料3％，球磨混合3小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强30MPa，抽真空至6Pa，以200度/分钟的速度升温到1600度进行烧结，烧结时间20分钟，随后降温至1000℃保温10分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得氮化铝/氮化硼复相陶瓷。经测定弯曲强度为σf3＝497MPa，热导率为122W/m·K，维氏硬度9.6GPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。
实施例2：
称取平均粒径0.5μm的氮化铝微粉和氮化硼前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体C3N6H12B2O6重量含量37.5％，充分混合后在N2气氛中1400℃煅烧1小时，冷却后测定氧含量为1.5％；再加入氧化钐，其重量占最终混合物料5％，球磨混合5小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强40MPa，抽真空至5Pa，以150度/分钟的速度升温到1700度进行烧结，烧结时间105分钟，随后降温至900℃保温20分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得氮化铝/氮化硼复相陶瓷。经测定弯曲强度为σf3＝488MPa，热导率为109W/m·K，维氏硬度7.4GPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。
实施例3：
称取平均粒径1.2μm的氮化铝微粉和氮化硼前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体C3N6H12B2O6重量含量37.5％，充分混合后在N2气氛中1500℃煅烧1小时，冷却后测定氧含量为1.6％；再加入氧化钇，其重量占最终混合物料8％，球磨混合8小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强40MPa，抽真空至5Pa，以150度/分钟的速度升温到1800度进行烧结，烧结时间5分钟，随后降温至800℃保温30分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得氮化铝/氮化硼复相陶瓷。经测定弯曲强度为σf3＝461MPa，热导率为106W/m·K，维氏硬度6.3GPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。
实施例4：
称取平均粒径2μm的氮化铝微粉和氮化硼前驱体C3N6H12B2O6，其中前驱体C3N6H12B2O6重量含量47％，充分混合后在H2气氛中1500℃煅烧2小时，冷却后测定氧含量为2.1％；再加入氧化钇，其重量占最终混合物料10％，球磨混合12小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强50MPa，抽真空至6Pa，以200度/分钟的速度升温到1800度进行烧结，烧结时间20分钟，随后降温至800℃保温20分钟随即关闭电源，随炉冷却，获得氮化铝/氮化硼复相陶瓷。经测定弯曲强度为σf3＝454MPa，热导率为97W/m·K，维氏硬度6.4GPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。