CN107399972A - 一种基于sps方法制备透明氮化铝陶瓷的方法 - Google Patents

一种基于sps方法制备透明氮化铝陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透明氮化铝陶瓷的制备方法，属于非氧化物透明陶瓷领域。包括以下步骤：（1）选取平均粒径1μm的AlN作为原料；（2）加入1~5wt%的碳化钙和稀土氧化物作为烧结助剂；（3）将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，温度选择为1600~1800℃，轴向压力为20~30MPa，升温速率100~300℃/min，保温3~10min；（4）在流动氮气下1600~1800℃热处理烧结体1~3h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。本发明制备的氮化铝陶瓷晶粒细小，致密度高，密度高达3.26g·cm‑3，透明状态好。

Description

一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法
技术领域
本发明属于非氧化物透明陶瓷领域，具体是涉及一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法。
背景技术
透明陶瓷是先进陶瓷材料中一个独特的分支，是陶瓷材料中致密度最高、相组成最纯净、对工艺和性能要求极其严格的一类材料。自1962年R. L. Coble首次报道成功制备透明氧化铝陶瓷以来，透明陶瓷被学者广泛研究。透明陶瓷不仅具有良好的透明性，而且强度高、耐腐蚀、能在高温高压下工作，还具有许多其他材料无可比拟的优良性能，在高温技术、无线电子技术、照明技术、特种仪器制造等领域得到了广泛的应用。在透明陶瓷材料中，研究较多的有：氧化铝透明陶瓷、钇铝石榴石透明陶瓷、铝镁酸透明陶瓷、透明铁电陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、砷化镓透明陶瓷、氟化钙透明陶瓷等。
氮化铝陶瓷具有高热导率、高绝缘性、低介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数及其他优良的物理性能，在新材料领域越来越受到人们的关注，被认为是理想的新一代大规模集成电路、大功率期间的散热基板材料和封装材料。氮化铝透明陶瓷不仅具备以上氮化铝陶瓷材料的优点，同时还具有透光性，促使其在窗体材料及红外导流罩领域具有广泛的应用前景。然而，氮化铝为强共价键化合物，烧结活性低，必须加入烧结助剂才能达到材料的致密化。同时，氮化铝容易水解，水蒸气中的氧进入氮化铝晶格，使得氧杂质含量升高，陶瓷性能降低。
放电等离子烧结加入直流脉冲的等离子体活化作用，升温速率快，烧结周期短，是制备细晶、高致密陶瓷的理想方法。放电等离子烧结可能存在的致密化途径为：（1）晶粒间放电产生局部高温，引起晶粒表面熔化蒸发，在颗粒间接触部位形成“颈部”，连接颗粒，促进致密化；（2）由于脉冲电流的作用，晶粒表面活化能增加，原子扩散能力增强，促进致密化过程。中国专利CN 02115663.8报道了放电等离子烧结法制备氮化铝透明陶瓷，该方法采用的是放电等离子烧结的制备方法，烧结温度为1700~2000,保温时间为4~20min，得到的氮化铝陶瓷在中红外波段最大透过率大于60%。该方法原料中没有添加烧结助剂，得到的陶瓷强度低，不利于产品的应用。另外，其烧结温度较高，增加成本，不利于工业生产。
中国专利CN 201410663094.0报道了一种透明氮化铝陶瓷的制造方法，该方法在高纯氮气保护下进行放电等离子烧结，预烧温度为1650~1700℃，保温时间5~10min，将得到的预烧体置于流动高纯氮气中进行1750℃热处理4h，冷却后得到透明氮化铝陶瓷。该方法实验周期长，浪费能源且产能低。同时，该方法得到的0.5mm厚透明氮化铝陶瓷仅能模糊看到物体轮廓，透明度较低。
中国专利CN 201210583959.3报道了一种透明氮化铝陶瓷的超高压低温烧结制备方法，该方法选取40μm氮化铝为原料，添加碳化钙、氧化钇、氧化钐为烧结助剂，在1GPa压力下成型，并在4.0~5.5GPa下1500~1700℃保温20~60min，自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。该方法晶粒较大，可能存在较多空隙。同时，样品使用高压制备，对于实际生产制造，将会大大提升成本。
发明内容
本发明克服了超高压制备透明氮化铝陶瓷对设备要求高的缺陷，综合考虑了放电等离子烧结和高温热处理的优势，而研制了一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法。该方法首先采用放电等离子烧结法对添加烧结助剂的氮化铝粉体在一定温度下进行烧结，氮化铝粉体表面被瞬间放电产生的高温融化，有助于形成液相，加之烧结助剂的引入，液相量增加，促进了结构的致密化，有利于气孔的排出和缺陷含量的降低。最后再经过氮气保护下高温热处理，可促进晶粒的生长和气孔等缺陷的消除。综合放电等离子烧结和高温热处理，可获得气孔率小、致密度高的透明氮化铝陶瓷。
本发明目的在于综合放电等离子烧结和氮气保护高温热处理的优点，在较低温度和较短时间下制备出致密的透明氮化铝陶瓷。
本发明利用放电等离子烧结设备和多功能真空烧结炉，在氮化铝粉体选择、烧结助剂选择、放电等离子烧结工艺改进、热处理工艺改进等方面进行研究，获得了成分单一、性能优良的透明氮化铝陶瓷。
本发明的技术方案，通过以下方式实现：
一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，包括如下步骤：
（1）选取平均粒径1μm的AlN作为原料；
（2）加入1~5wt%的碳化钙和稀土氧化物作为烧结助剂；
（3）将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，温度选择为1600~1800℃，轴向压力为20~30MPa，升温速率100~300℃/min，保温3~10min；
（4）在流动氮气下1600~1800℃热处理烧结体1~3h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。
其中，步骤2中，所述烧结助剂添加量为4~5wt%。
其中，步骤2中，所述添加剂中碳化钙含量为3wt%，稀土金属氧化物含量为1~2wt%。
其中，步骤2中，所述稀土金属氧化物选择为Y2O3和La2O3，Y2O3含量为1wt%，La2O3含量也为1wt%。
本发明发现，温度为1600℃、轴向压力为20MPa放电等离子烧结后，再经1700℃热处理2h，得到的样品气孔率大、致密度较低、透明性不好。升高放电等离子烧结温度至1700℃以上并提高轴向加压压力至30MPa，有利于气孔的排出，形成致密化透明氮化铝陶瓷。
其中，步骤3中，所述放电等离子烧结，烧结温度优选1700℃，轴向压力优选30MPa。
其中，步骤4中，所述流动氮气下热处理，热处理温度选择1700℃，保温时间为2h。
本发明的有益效果是：
本发明采用放电等离子烧结和氮气保护热处理相结合的方式来制备透明氮化铝陶瓷。放电等离子烧结能够促进氮化铝颗粒晶界的扩散，形成连续并稍致密的氮化铝陶瓷基体，同时由于烧结助剂的引入，会形成更多的液相，进一步促进透明氮化铝陶瓷的致密化。再经过氮气保护的高温热处理，易于气孔的排出和缺陷含量的降低，对于获得高致密性透明氮化铝陶瓷具有积极的作用。通过本方法制备的透明氮化铝陶瓷，密度可达3.26g·cm-3，在可见光区附近（400~900nm）0.5mm厚样品最大透过率可达35%。且晶粒细小，形状规则，气孔率低，致密度高。该法对于制备透明氮化铝陶瓷具有重要的意义。
附图说明：
图1是实施例一透明氮化铝陶瓷XRD图谱；
图2是实施例一透明氮化铝陶瓷断口SEM图；
图3是实施例一不同厚度透明氮化铝陶瓷透过率曲线；
具体实施方式
实施例一：
选用本公司自己生产的平均粒径1μm左右的氮化铝粉体作为原料，添加3wt%的CaC2、1wt%的Y2O3和1wt% La2O3作为烧结助剂，球磨混合均匀。将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为5min，轴向压力为30MPa。最后将预烧结体放入流动氮气中1700℃热处理2h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。将得到的透明氮化铝陶瓷两面磨平至0.5mm厚，测量其透光性及密度。
用本发明方法制备的透明氮化铝陶瓷具有以下性能：
密度（g·cm-3）:3.26；
主晶相（XRD分析）：AlN；
400~900nm波段最大透过率（%）：35。
透明氮化铝陶瓷主晶相显示为AlN， 对陶瓷断口进行SEM观察，晶粒细小且发育完整，堆积紧密，气孔率低，为其透光性打下良好的基础
实施例二：
选用本公司产的1μm左右的氮化铝粉体作为原料，烧结助剂为3wt%的CaC2、1wt%的Y2O3和1wt% La2O3，球磨混合均匀。将混合粉体置于石墨模具中，1600℃放电等离子烧结，保温时间为5min，轴向压力为20MPa。最后将预烧结体放入流动氮气中1800℃热处理2h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。将得到的透明氮化铝陶瓷两面磨平至0.5mm厚，测量其透光性及密度。
制备的透明氮化铝陶瓷具有以下性能：
密度（g·cm-3）:3.24；
主晶相（XRD分析）：AlN；
400~900nm波段最大透过率（%）：19。
SEM断口形貌、成分同实施例一。
实施例三：
选用本公司产的1μm左右的氮化铝粉体作为原料，烧结助剂为3wt%的CaC2、1wt%的Y2O3和1wt% La2O3，球磨混合均匀。将混合粉体置于石墨模具中，1800℃放电等离子烧结，保温时间为5min，轴向压力为20MPa。最后将预烧结体放入流动氮气中1700℃热处理2h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。将得到的透明氮化铝陶瓷两面磨平至0.5mm厚，测量其透光性及密度。
制备的透明氮化铝陶瓷具有以下性能：
密度（g·cm-3）:3.26；
主晶相（XRD分析）：AlN；
400~900nm波段最大透过率（%）：33。
SEM断口形貌、成分同实施例一。
实施例四：
选用本公司产的1μm左右的氮化铝粉体作为原料，烧结助剂为3wt%的CaC2、1wt%的Y2O3和1wt% La2O3，球磨混合均匀。将混合粉体置于石墨模具中，1600℃放电等离子烧结，保温时间为5min，轴向压力为30MPa。最后将预烧结体放入流动氮气中1700℃热处理2h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。将得到的透明氮化铝陶瓷两面磨平至0.5mm厚，测量其透光性及密度。
制备的透明氮化铝陶瓷具有以下性能：
密度（g·cm-3）:3.25；
主晶相（XRD分析）：AlN；
400~900nm波段最大透过率（%）：25。
SEM断口形貌、成分同实施例一。
实施例五：
选用本公司产的1μm左右的氮化铝粉体作为原料，烧结助剂为3wt%的CaC2、1wt%的Y2O3和1wt% La2O3，球磨混合均匀。将混合粉体置于石墨模具中，1800℃放电等离子烧结，保温时间为5min，轴向压力为30MPa。最后将预烧结体放入流动氮气中1700℃热处理1h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。将得到的透明氮化铝陶瓷两面磨平至0.5mm厚，测量其透光性及密度。
制备的透明氮化铝陶瓷具有以下性能：
密度（g·cm-3）:3.26；
主晶相（XRD分析）：AlN；
400~900nm波段最大透过率（%）：39。
SEM断口形貌、成分同实施例一。

Claims (7)

1.一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
（1）选取平均粒径1μm的AlN作为原料；
（2）加入1~5wt%的碳化钙和稀土氧化物作为烧结助剂；
（3）将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，温度选择为1600~1800℃，轴向压力为20~30MPa，升温速率100~300℃/min，保温3~10min；
（4）在流动氮气下1600~1800℃热处理烧结体1~3h，试样自然冷却，得到透明氮化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的第（2）步骤中添加CaC2量为3wt%，稀土氧化物添加量为1~2wt%。
3.根据权利要求2所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的稀土氧化物为Y2O3和La2O3。
4.根据权利要求3所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的第（2）步骤中添加烧结助剂1wt% Y2O3和1wt% La2O3。
5.根据权利要求1所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的第（3）步骤中氮化铝粉体进行SPS烧结，将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为5min。
6.根据权利要求1所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的第（3）步骤中氮化铝粉体进行SPS烧结，将混合粉体置于石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，升温速率为150℃/min，轴向压力为30MPa。
7.根据权利要求1所述的一种基于SPS方法制备透明氮化铝陶瓷的方法，其特征在于：所述的第（4）步骤中对烧结体的热处理，热处理温度为1650℃，保温时间为2h。
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CN108675795A (zh) * 2018-07-03 2018-10-19 北京科技大学 一种sps烧结制备高导热和高强度氮化铝陶瓷的方法
CN108794016A (zh) * 2018-06-28 2018-11-13 大连海事大学 一种高红外透过率AlON透明陶瓷的快速制备方法
CN114560706A (zh) * 2022-03-15 2022-05-31 福建华清电子材料科技有限公司 一种高热导氮化铝陶瓷基板的制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108794016A (zh) * 2018-06-28 2018-11-13 大连海事大学 一种高红外透过率AlON透明陶瓷的快速制备方法
CN108794016B (zh) * 2018-06-28 2021-03-23 大连海事大学 一种高红外透过率AlON透明陶瓷的快速制备方法
CN108675795A (zh) * 2018-07-03 2018-10-19 北京科技大学 一种sps烧结制备高导热和高强度氮化铝陶瓷的方法
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