CN104148645B - 一种复合陶瓷散热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合陶瓷散热材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：1)按照重量百分比将60～80份氧化铝陶瓷粉、10～30份金属铝粉和2～10份黏土均匀混合；2)将混合后的原料通过模具采用压力成型的方法制成材料生坯；3)将材料生坯放入预热箱中进行分两段预热；4)将预热后的材料生坯在700～900℃的大气环境条件下进行烧结2.5～3小时；5)将烧结后的散热材料进行分两段降温退火。本发明提供的复合陶瓷散热材料具有较高的导热率，同时散热材料的表面具有良好的绝缘性能。

Description

一种复合陶瓷散热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，特别涉及一种复合陶瓷散热材料及其制备方法。

背景技术

微电子技术的发展使得电子产品的功率逐渐增大，随之而来的便是电子产品的散热问题，散热性能的优劣影响系统的稳定性和硬件的寿命，以LED为例，如果温度上升2℃则芯片的性能会下降5％，使用寿命也会下降10％。

现有的LED散热材料主要有金属铝及铝合金、氧化铝陶瓷、导热塑料等。铝及铝合金导热率高，但散热性能不如氧化铝陶瓷和导热塑料，而且铝及铝合金是电的良导体，作为LED散热器有一定的安全隐患；而陶瓷和导热塑料散热性能良好，绝缘不导电，但导热率又太低，无法满足大功率LED的散热要求，同时无论纯陶瓷材料还是铝合金材料，在散热器制备过程中能耗均较高。

发明内容

基于上述问题，本发明目的是提供一种复合陶瓷散热材料，该散热材料为陶瓷和铝的复合材料，具有较高的导热率同时还具有良好的绝缘性能和散热性能。

本发明的另一目的是提供一种复合陶瓷散热材料的制备方法。

为了克服现有技术的不足，本发明提供的技术方案是：

一种复合陶瓷散热材料，所述散热材料为陶瓷和铝的复合材料，所述散热材料烧结前原料按重量百分比由60～80份氧化铝陶瓷粉、10～30份金属铝粉及2～10份黏土组成；所述散热材料烧结后分为材料主体和材料表面两个部分，所述材料主体为氧化铝陶瓷颗粒和金属铝颗粒的混合体，所述材料表面为氧化铝陶瓷和氧化铝复合层。

作为总的发明构思，本发明还提供一种复合陶瓷散热材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)原料粉末混合，按照重量百分比将60～80份氧化铝陶瓷粉、10～30份金属铝粉和2～10份黏土均匀混合；

(2)材料成型，通过模具采用压力成型的方法制成材料生坯，所述材料生坯为具有内腔的散热器形状；

(3)预热，将材料生坯放入预热箱中在材料生坯内腔用细陶瓷粉填充，而在材料生坯的外部覆盖陶瓷颗粒，进行分段预热至450～550℃，第一阶段从室温预热至260℃，预热时间为1小时，第二阶段加热至最终温度，预热时间为0.5～1小时；

(4)烧结，将预热后的材料生坯在700～900℃的大气环境条件下进行烧结，烧结时间为2.5～3小时；

(5)退火，将烧结后的散热材料进行分段降温，第一阶段降温至500℃，退火时间为2小时，第二阶段将至室温，退火时间为1～3小时。

上述的制备方法中，所述步骤(2)中散热材料的形状为板状、筒状、多孔状、栅栏状、鳍片状或太阳花状中的一种。

上述的制备方法中，所述步骤(3)中分段预热的最终温度为500℃。

上述的制备方法中，所述步骤(4)中烧结温度为800℃。

与现有技术相比，本发明的优点是：

采用本发明的技术方案，该散热材料主体为氧化铝陶瓷和金属铝的混合体，金属铝的存在使得其具有较高的导热率，同时散热材料的表面为氧化铝陶瓷和氧化铝复合层，使得散热材料具有良好的导热率和绝缘性能；将本发明的散热材料用于大功率LED、CPU及电子产品，可提高大功率LED、CPU及电子产品的工作性能和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种复合陶瓷散热材料的结构示意图；

其中，1、金属铝颗粒；2、氧化铝陶瓷颗粒；3、氧化铝陶瓷和氧化铝复合层。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1

按照重量百分比将原料60份氧化铝陶瓷粉、30份金属铝粉和10份黏土均匀混合；根据实际使用需要选用模具，将混合后的原料放置在模具中采用压力成型的方法制成材料生坯，该材料生坯为具有内腔的散热器形状，其形状可为板状、筒状、多孔状、栅栏状、鳍片状或太阳花状，本实施例选用板状；将材料生坯放入预热箱中，在材料生坯内腔用细陶瓷粉填充而在材料生坯的外部覆盖陶瓷颗粒，内腔用细陶瓷粉填充可一定程度上防止氧化，外部用陶瓷颗粒填充可保证表面有效氧化。

分两段进行预热，第一阶段从室温预热到260℃，预热时间为1小时，第二阶段从260℃预热到450℃，预热时间0.5小时；然后将预热后的材料生坯在700℃的大气环境条件下进行烧结2.5小时，将散热材料表面的金属铝氧化为氧化铝，那么散热材料表面即为氧化铝陶瓷和氧化铝的复合层，具有良好的绝缘性能，最后将烧结后的散热材料分两段退火，第一阶段降温至500℃，退火时间为2小时，第二阶段从500℃降至室温，退火时间为1小时。

参见图1，上述退火后的散热材料在结构上分为材料主体和材料表面，材料主体为氧化铝陶瓷颗粒2和金属铝颗粒1的混合体，金属铝颗粒1掺杂在氧化铝陶瓷颗粒2中使得氧化铝陶瓷具有更高的导热性能，而材料表面为氧化铝陶瓷和氧化铝复合层3，其使得散热材料的表面具有良好的绝缘性能和散热性能。

测试实验，将散热材料放置在80℃的恒温槽中，经测试散热材料由30℃加热到80℃需要约25秒；然后将散热材料放置在30℃的恒温槽中，经测试该散热材料由80℃下降到30℃需要约25秒。经测试此散热材料的导热系数约为55W/m·K，散热材料的表面电阻值大于10MΩ。

实施例2

本实施例与实施例1相近，不同之处在于，原料为75份氧化铝陶瓷粉、20份金属铝粉和5份黏土，分段预热第二阶段从260℃预热到500℃，预热时间为1小时，然后将预热后的材料生坯在800℃的大气环境条件下进行烧结2.5小时，退火阶段的第二阶段的退火时间为3小时。本实施例中散热材料的导热系数约为35W/m·K，散热材料的表面电阻值大于10MΩ。

实施例3

本实施例与实施例1相近，不同之处在于，原料为80份氧化铝陶瓷粉、10份金属铝粉和10份黏土，分段预热第二阶段从260℃预热到550℃，预热时间为1小时，然后将预热后的材料生坯在900℃的大气环境条件下进行烧结3小时，退火阶段的第二阶段的退火时间为2小时。本实施例中散热材料的导热系数约为25W/m·K，散热材料的表面电阻值大于10MΩ。

实施例4

本实施例与实施例1相近，不同之处在于，原料为78份氧化铝陶瓷粉、20份金属铝粉和2份黏土，分段预热第二阶段从260℃预热到550℃，预热时间为1小时，然后将预热后的材料生坯在800℃的大气环境条件下进行烧结2.5小时，退火阶段的第二阶段的退火时间为1小时。本实施例中散热材料的导热系数约为35W/m·K，散热材料的表面电阻值大于10MΩ。

由上述实施例可知，本发明的散热材料具有较高的导热率，同时散热材料的表面具有良好的绝缘性能，可提高大功率LED、CPU及电子产品的工作性能和使用寿命，也可避免作为大功率电子器件散热组件时的安全隐患。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合陶瓷散热材料，其特征在于：所述散热材料为陶瓷和铝的复合材料，所述散热材料烧结前原料按重量百分比由60～80份氧化铝陶瓷粉、10～30份金属铝粉及2～10份黏土组成；所述散热材料烧结后分为材料主体和材料表面两个部分，所述材料主体为氧化铝陶瓷颗粒和金属铝颗粒的混合体，所述材料表面为氧化铝陶瓷和氧化铝复合层。

2.一种复合陶瓷散热材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)原料粉末混合，按照重量百分比将原料60～80份氧化铝陶瓷粉、10～30份金属铝粉和2～10份黏土均匀混合；

(2)材料成型，将混合后的原料通过模具采用压力成型的方法制成材料生坯，所述材料生坯为具有内腔的散热器形状；

(3)预热，将材料生坯放入预热箱中在材料生坯内腔用细陶瓷粉填充，而在材料生坯的外部覆盖陶瓷颗粒，进行分段预热至450～550℃，第一阶段从室温预热至260℃，预热时间为1小时，第二阶段加热至最终温度，预热时间为0.5～1小时；

(4)烧结，将预热后的材料生坯在700～900℃的大气环境条件下进行烧结，烧结时间为2.5～3小时；

(5)退火，将烧结后的散热材料进行分段降温，第一阶段降温至500℃，退火时间为2小时，第二阶段将至室温，退火时间为1～3小时。

3.根据权利要求2所述的复合陶瓷散热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中散热材料的形状为板状、筒状、多孔状、栅栏状、鳍片状或太阳花状中的一种。

4.根据权利要求2所述的复合陶瓷散热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中分段预热的最终温度为500℃。

5.根据权利要求2所述的复合陶瓷散热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中烧结温度为800℃。