CN108147822A - 一种导热用氮化硅基材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种导热用氮化硅基材料及其制备方法；将聚硅氮烷低温固化，采用高纯氮气保护，固化；然后将固化后样品放入氧化铝坩埚中，再将坩埚放入管式炉内，仍采用高纯氮气保护，800‑1000℃条件下热处理2‑4h，制备获得SiCN块体，然后球磨；将球磨后SiCN粉体与铁粉按照如下质量比例：100:(1‑10)称重，然后将混合物放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上混合；将混合后的混合物，放入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，同样采用高纯氮气保护，温度1300‑1550℃裂解2‑6h。得到还有β‑Si3N4为纤维状长度为2‑50μm的氮化硅基材料。

Description

一种导热用氮化硅基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体是一种导热用氮化硅基材料及其制备方法。
背景技术
随着功能电子器件向高密度、高速化和大功率方向发展，如何将产生热量及时散出成为日益突出的问题。氮化硅陶瓷因其具有热膨胀系数低、导热率高(理论热导率可达400W/(m·K))，被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件的散热材料。
前驱体陶瓷材料是一种采用前驱体聚合物经热裂解制备的前驱体陶瓷材料。前驱体聚合物具有纯度高、流变性好、加工简单等优点。其中聚硅氮烷经热裂解可获得SiCN，经高温热处理可获得Si3N4和SiC，其中SiC也是导热性良好的材料之一。
目前国内传统的氮化硅材料制备技术中，氮化硅组分中仅含α-Si3N4相无β-Si3N4，而β-Si3N4粉制备条件苛刻。国外进口α-Si3N4、β-Si3N4的氮化硅粉体价格昂贵，限制了其商业化应用，不利于同时获得α-Si3N4和β-Si3N4相组成的氮化硅材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热用氮化硅基材料的制备方法，克服上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种导热用氮化硅基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)前驱体聚合物热解：将聚硅氮烷低温固化，采用高纯氮气保护，固化；然后将固化后样品放入氧化铝坩埚中，再将坩埚放入管式炉内，仍采用高纯氮气保护，800-1000℃条件下热处理2-4h，制备获得SiCN块体，然后球磨；
(2)混料：将球磨后SiCN粉体与铁粉按照如下质量比例：100:(1-10)称重，然后将混合物放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上混合；
(3)高温烧结：将混合后的混合物，放入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，同样采用高纯氮气保护，温度1300-1550℃裂解2-6h。
所述步骤是(1)中聚硅氮烷的固化温度为100-150℃，固化时间2-4h。
所述步骤是(1)制备的前驱体SiCN采用行星式球磨机球磨2-6h，转速300-700转/分钟。
所述步骤是(2)中SiCN与铁粉的混合，采用滚轴搅拌器混料2-6h，转速30-80转/分钟。
利用本发明的方法制备的导热用氮化硅基材料，其材料的相组成为α-Si3N4和β-Si3N4以及少量SiC，其中β-Si3N4为纤维状长度为2-50μm的氮化硅基材料。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明制备的氮化硅基陶瓷粉材料，组分为α-Si3N4和β-Si3N4以及少量SiC，其中α-Si3N4形貌为不规则形状固体颗粒，而β-Si3N4形貌为纤维形状，其长度为2-50μm。通过上述步骤，可制得组份及粒度分布均匀、具有良好的导热性的氮化硅基材料。
附图说明
图1：实施例1中制备的氮化硅基材料的扫描图片；
图2：实施例2中制备的氮化硅基材料的扫描图片；
图3：实施例3中制备的氮化硅基材料的扫描图片；
图4：实施例4中制备的氮化硅基材料的扫描图片。
具体实施方式
下面给出最佳发明的实施例
实施例1：
一种导热用氮化硅基材料，采用聚硅氮烷与铁粉两种原料，混合的质量比为100:1。首先将聚硅氮烷置于四氟乙烯模具中，采用高纯氮气保护，将模具置于管式炉内，升温至100℃固化2h。然后将固化后的样品放入氧化铝坩埚中，使用管式炉加热设备，通入高纯氮气，升温至800度，烧结2h。将热解后的样品采用行星式球磨机球磨2h，转速300转/分钟。然后将球磨后的粉体与铁粉按照上述质量比称重。将称重后样品放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上，进行混料，转速30转/分钟，混料时间2h。将混合料放入氧化铝坩埚中，使用相同管式炉进行热处理，从室温升温至1300℃，采用高纯氮气保护，热处理2h。在室温至800℃时，升温速率为3℃/min。从800℃升温至目标温度时，升温速率为2℃/min。
如实施例1制备的氮化硅基材料的扫描图片中灰色区域为α-Si3N4相，黑色区域为β-Si3N4相。其中α-Si3N4形貌为不规则形状固体颗粒，而β-Si3N4形貌为纤维形状，其长度为2-50μm。
实施例2：
一种导热用氮化硅基材料，采用聚硅氮烷与铁粉两种原料，混合的质量比为100:2.5。首先将聚硅氮烷置于四氟乙烯模具中，采用高纯氮气保护，将模具置于管式炉内，升温至130℃固化3h。然后将固化后的样品放入氧化铝坩埚中，使用管式炉加热设备，通入高纯氮气，升温至900度，烧结3h。将热解后的样品采用行星式球磨机球磨3h，转速400转/分钟。然后将球磨后的粉体与铁粉按照上述质量比称重。将称重后样品放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上，进行混料，转速50转/分钟，混料时间4h。将混合料放入氧化铝坩埚中，使用相同管式炉进行热处理，从室温升温至1400℃，采用高纯氮气保护，热处理3h。在室温至800℃时，升温速率为3℃/min。从800℃升温至目标温度时，升温速率为2℃/min。
如实施例2制备的氮化硅基材料的扫描图片中灰色区域为α-Si3N4相，黑色区域为β-Si3N4相。其中α-Si3N4形貌为不规则形状固体颗粒，而β-Si3N4形貌为纤维形状，其长度为2-50μm。
实施例3：
一种导热用氮化硅基材料，采用聚硅氮烷与铁粉两种原料，混合的质量比为100:5。首先将聚硅氮烷置于四氟乙烯模具中，采用高纯氮气保护，将模具置于管式炉内，升温至130℃固化3h。然后将固化后的样品放入氧化铝坩埚中，使用管式炉加热设备，通入高纯氮气，升温至900度，烧结4h。将热解后的样品采用行星式球磨机球磨4h，转速600转/分钟。然后将球磨后的粉体与铁粉按照上述质量比称重。将称重后样品放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上，进行混料，转速60转/分钟，混料时间5h。将混合料放入氧化铝坩埚中，使用相同管式炉进行热处理，从室温升温至1500℃，采用高纯氮气保护，热处理4h。在室温至800℃时，升温速率为3℃/min。从800℃升温至目标温度时，升温速率为2℃/min。
如实施例3制备的氮化硅基材料的扫描图片中灰色区域为α-Si3N4相，黑色区域为β-Si3N4相。其中α-Si3N4形貌为不规则形状固体颗粒，而β-Si3N4形貌为纤维形状，其长度为2-50μm。
实施例4：
一种导热用氮化硅基材料，采用聚硅氮烷与铁粉两种原料，混合的质量比为100:10。首先将聚硅氮烷置于四氟乙烯模具中，采用高纯氮气保护，将模具置于管式炉内，升温至150℃固化4h。然后将固化后的样品放入氧化铝坩埚中，使用管式炉加热设备，通入高纯氮气，升温至1000度，烧结4h。将热解后的样品采用行星式球磨机球磨6h，转速700转/分钟。然后将球磨后的粉体与铁粉按照上述质量比称重。将称重后样品放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上，进行混料，转速80转/分钟，混料时间6h。将混合料放入氧化铝坩埚中，使用相同管式炉进行热处理，从室温升温至1550℃，采用高纯氮气保护，热处理6h。在室温至800℃时，升温速率为3℃/min。从800℃升温至目标温度时，升温速率为2℃/min。
如实施例4制备的氮化硅基材料的扫描图片中灰色区域为α-Si3N4相，黑色区域为β-Si3N4相。其中α-Si3N4形貌为不规则形状固体颗粒，而β-Si3N4形貌为纤维形状，其长度为2-50μm。

Claims (5)

1.一种导热用氮化硅基材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)前驱体聚合物热解：将聚硅氮烷低温固化，采用高纯氮气保护，固化；然后将固化后样品放入氧化铝坩埚中，再将坩埚放入管式炉内，仍采用高纯氮气保护，800-1000℃条件下热处理2-4h，制备获得SiCN块体，然后球磨；
(2)混料：将球磨后SiCN粉体与铁粉按照如下质量比例：100:(1-10)称重，然后将混合物放入玻璃瓶中，置于滚轴搅拌器上混合；
(3)高温烧结：将混合后的混合物，放入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，同样采用高纯氮气保护，温度1300-1550℃裂解2-6h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征步骤是(1)中聚硅氮烷的固化温度为100-150℃，固化时间2-4h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征步骤是(1)制备的前驱体SiCN采用行星式球磨机球磨2-6h，转速300-700转/分钟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征步骤是(2)中SiCN与铁粉的混合，采用滚轴搅拌器混料2-6h，转速30-80转/分钟。
5.利用权利要求1方法制备的导热用氮化硅基材料，其特征是材料的相组成为α-Si3N4和β-Si3N4以及少量SiC，其中β-Si3N4为纤维状长度为2-50μm的氮化硅基材料。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109400175A (zh) * 2018-11-15 2019-03-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法
CN115667184A (zh) * 2020-05-20 2023-01-31 株式会社东芝 氮化硅烧结体及采用其的耐磨损性部件以及氮化硅烧结体的制造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62288170A (ja) * 1986-06-05 1987-12-15 黒崎窯業株式会社 窒化珪素系焼結体及びその製造方法
CN1033387A (zh) * 1987-12-04 1989-06-14 赫彻斯特股份公司 聚硅氮烷和其制备方法以及可由该聚硅氮烷制得的含四氮化三硅的陶瓷材料和其制备方法
CN1044273A (zh) * 1988-12-03 1990-08-01 赫彻斯特股份公司 陶瓷/纤维复合物及其生产方法
CN1055716A (zh) * 1987-12-04 1991-10-30 赫彻斯特股份公司 含四氮化三硅的陶瓷材料和其制备方法
EP0278001B1 (en) * 1986-08-22 1992-01-29 Massachusetts Institute Of Technology Method for using organopolysilazane precursors to form new preceramic polymers and silicon nitride-rich ceramic materials
US5198152A (en) * 1991-01-15 1993-03-30 Ethyl Corporation Preceramic compositions and ceramic products with an unsaturated organic or organosilicon compound
CN101054297A (zh) * 2007-04-11 2007-10-17 宁波工程学院 一种新型纳米复相陶瓷粉体的制备方法
CN101265106A (zh) * 2008-03-24 2008-09-17 宁波工程学院 一种制备纳米/纳米型Si3N4/SiC纳米复相陶瓷的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62288170A (ja) * 1986-06-05 1987-12-15 黒崎窯業株式会社 窒化珪素系焼結体及びその製造方法
EP0278001B1 (en) * 1986-08-22 1992-01-29 Massachusetts Institute Of Technology Method for using organopolysilazane precursors to form new preceramic polymers and silicon nitride-rich ceramic materials
CN1033387A (zh) * 1987-12-04 1989-06-14 赫彻斯特股份公司 聚硅氮烷和其制备方法以及可由该聚硅氮烷制得的含四氮化三硅的陶瓷材料和其制备方法
CN1055716A (zh) * 1987-12-04 1991-10-30 赫彻斯特股份公司 含四氮化三硅的陶瓷材料和其制备方法
CN1044273A (zh) * 1988-12-03 1990-08-01 赫彻斯特股份公司 陶瓷/纤维复合物及其生产方法
US5198152A (en) * 1991-01-15 1993-03-30 Ethyl Corporation Preceramic compositions and ceramic products with an unsaturated organic or organosilicon compound
CN101054297A (zh) * 2007-04-11 2007-10-17 宁波工程学院 一种新型纳米复相陶瓷粉体的制备方法
CN101265106A (zh) * 2008-03-24 2008-09-17 宁波工程学院 一种制备纳米/纳米型Si3N4/SiC纳米复相陶瓷的方法

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《神奇的科学奥秘》编委会: "《材料科学的奥秘》", 31 May 2016, 中国社会出版社 *
C.HALUSCHKA ET AL.: "Silicon carbonitride ceramics derived from polysilazanes Part Ⅱ.Investigation of electrical properties", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 *
NEAL R.DANDO ET AL.: "Methylhydridopolysilazane and its pyrolytic conversion to Si3N4/SiC ceramics", 《CHEMISTRY OF MATERIALS》 *
XUJIN BAO ET AL.: "Simultaneous formation of SiC and Si3N4 by pyrolysis of a polymeric precursor", 《PHILOSOPHICAL MAGAZINE LETTERS》 *
宋永才等: "由聚硅氮烷热解制得的Si-N-C陶瓷的结构与特性", 《高技术通讯》 *
宋永才等: "聚硅氮烷的热分解特性研究", 《高分子学报》 *
张宗波等: "聚硅氮烷的应用研究进展", 《有机硅材料》 *
滕雅娣等: "陶瓷前驱体聚硅氮烷的应用研究进展（一）", 《有机硅材料》 *
罗学涛: "Si3N4/SiC纳米复合材料的制备力学性能及强韧化机理", 《南昌航空工业学院学报》 *
高积强等: "《无机非金属材料制备方法》", 30 September 2009, 西安交通大学出版社 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109400175A (zh) * 2018-11-15 2019-03-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法
CN109400175B (zh) * 2018-11-15 2020-07-31 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高导热氮化硅陶瓷基片材料的制备方法
CN115667184A (zh) * 2020-05-20 2023-01-31 株式会社东芝 氮化硅烧结体及采用其的耐磨损性部件以及氮化硅烧结体的制造方法
CN115667184B (zh) * 2020-05-20 2024-05-03 株式会社东芝 氮化硅烧结体及采用其的耐磨损性部件以及氮化硅烧结体的制造方法

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