CN108249948A - 一种氮化铝陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷领域，公开了一种氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷含有氮化铝和CuAlO2，氮化铝陶瓷的孔隙率为20‑40％。还公开了制备上述氮化铝陶瓷的方法，包括：将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉。还公开了上述方法制得的氮化铝陶瓷及其应用。本发明制得氮化铝陶瓷中形成了CuAlO2物质。由于CuAlO2与金属铜、铝润湿性较好，从而减少了后续氮化铝陶瓷与金属复合时界面层的构建，有利于其后续与金属进行复合来制备金属基氮化铝复合材料。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷与金属结合力。

Description

一种氮化铝陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，具体地，涉及一种氮化铝陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
现有技术大部分是在氮化铝粉体中添加易挥发分解的造孔剂(如树脂、淀粉等)，通过造孔剂在烧结过程中挥发使其所占的位置形成孔隙，从而制备多孔的氮化铝陶瓷骨架。例如专利申请CN1654432A公开了一种低成本高性能氮化硅/碳化硅多孔陶瓷的制备方法。该方法包括配料、成型、烧结，常规陶瓷材料制备工艺：以酚醛树脂作为造孔剂和碳源，利用烧结过程中的碳热还原反应，原位生成纳米SiC相。但是，该技术存在以下缺点：①所添加造孔剂挥发不完全可能残余在氮化铝表面，影响其性能以及对后续的表面改性造成不便；②造孔剂分解挥发多在原位形成闭孔，孔之间较难相互连通，不利于后面与金属的复合。
因此，现在急需一种新型制备多孔的氮化铝陶瓷骨架的方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中造孔剂易残留且氮化铝陶瓷与金属的结合性较差的缺陷，提供一种氮化铝陶瓷及其制备方法和应用。
因此，为了实现上述目的，本发明提供了一种氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷的孔隙率为20-40％。
本发明的发明人在研究中发现，通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应产生气体，从而使得氮化铝基体中原位形成多孔，并且，氮化铝颗粒之间也存在一些孔隙，采用机械压力下的压制成型使得氮化铝颗粒间更易形成通孔。通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应，可以生成CuAlO2，从而能够提高金属与氮化铝陶瓷的结合力。究其原因可能是由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，该膜层在后续氮化铝陶瓷与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。本发明的氮化铝陶瓷不必或者只需再轻微构建界面层即可保证氮化铝陶瓷与金属的结合力，进而能够制得复合性较优异的金属基氮化铝复合材料。
具体地，氮化铝与氧化铜或氧化亚铜反应的化学式如下：
4AlN+2Cu2O+3O2＝4CuAlO2+2N2↑
2AlN+2CuO+O2＝2CuAlO2+N2↑
优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％。
第二方面，本发明提供了制备上述氮化铝陶瓷的方法，该方法包括：将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，所述铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉。
第三方面，本发明还提供了上述方法制得的氮化铝陶瓷。
第四方面，本发明还提供了上述氮化铝陶瓷在制备金属基氮化铝复合材料中的应用。
本发明的氮化铝陶瓷采用原位造孔方法，形成了多孔的陶瓷结构。并且，本发明制得的氮化铝陶瓷中形成了CuAlO2物质，由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好，从而减少了后续氮化铝陶瓷与金属复合时界面层的构建，有利于其后续与金属进行复合来制备金属基氮化铝复合材料。另外，CuAlO2可能以膜层的形式形成在氮化铝颗粒表面上，该膜层在后续氮化铝陶瓷与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷的孔隙率为20-40％。
本发明的发明人在研究中发现，通过烧结过程中氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应，可以生成CuAlO2，能够提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。究其原因可能是由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，该膜层在后续氮化铝陶瓷与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。
优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％，优选为10-20重量％，从而能够提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。
根据本发明所述的氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷还可以含有铜氧化物，优选地，所述铜氧化物为氧化铜和/或氧化亚铜。由于氧化铜和/或氧化亚铜可能不会反应完全，因此，本发明的氮化铝陶瓷可能不可避免地含有氧化铜和/或氧化亚铜。在本发明的一种具体实施方式中，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，所述铜氧化物的含量可以为0-3重量％，优选为0.1-1重量％。
根据本发明所述的氮化铝陶瓷，优选地，该氮化铝陶瓷还含有MnO2、MnO和Al2O3。由于氮化铝陶瓷含有MnO2、MnO和Al2O3，从而能够提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，MnO2的含量为0-3重量％(优选为1-2重量％)，MnO的含量为0-3重量％(优选为1-2重量％)，Al2O3的含量为0-5重量％(优选为2-4重量％)。
根据本发明所述的氮化铝陶瓷，进一步优选地，该氮化铝陶瓷还含有Y2O3和YAlO3，从而能够降低陶瓷烧结成型的温度。优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，Y2O3的含量为1-5重量％(优选为1-3重量％)，YAlO3的含量为1-10重量％(优选为3-5重量％)。
在本发明的一种优选实施方式中，氮化铝陶瓷含有氮化铝、CuAlO2、氧化铜和/或氧化亚铜、MnO2、MnO、Al2O3、Y2O3和YAlO3，从而能够提高氮化铝陶瓷的抗弯强度以及其与金属的结合性。更优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为70-90重量％，CuAlO2的含量为5-20重量％，氧化铜的含量为0-1重量％，氧化亚铜的含量为0-1重量％，MnO2的含量为0-2重量％，MnO的含量为0-2重量％，Al2O3的含量为1-5重量％，Y2O3的含量为1-3重量％，YAlO3的含量为3-5重量％，余量为碳；进一步优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为80-90重量％，CuAlO2的含量为5-15重量％，氧化铜的含量为0.05-0.5重量％，氧化亚铜的含量为0.05-0.5重量％，MnO2的含量为1-1.5重量％，MnO的含量为1-1.5重量％，Al2O3的含量为2-4重量％，Y2O3的含量为1-2重量％，YAlO3的含量为3-4重量％，余量为碳，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷的抗弯强度以及其与金属的结合性。
根据本发明所述的氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷的密度可以为1.96-2.59g/cm3。
根据本发明所述的氮化铝陶瓷，该氮化铝陶瓷由于不同粘结剂的加入不可避免地含有微量碳，但是碳的含量可以忽略不计，不会对氮化铝陶瓷性能产生影响。
本发明氮化铝陶瓷的各成分的含量可以通过各种常规方法测定，例如可以采用XRD物相测试方法。
第二方面，本发明提供了一种制备氮化铝陶瓷的方法，该方法包括：将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，所述铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉。
采用本发明的方法能够使得氮化铝陶瓷中形成CuAlO2，从而能够提高金属与氮化铝陶瓷的结合力。究其原因可能是由于CuAlO2与金属铜、铝等金属的润湿性较好。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒的表面上形成了膜层，从而可以进一步增强金属与氮化铝陶瓷的结合力。
本发明的方法中，在烧结的过程中，氧化铜分解可以释放氧气，有助于形成气孔。
根据本发明所述的方法，优选地，所述原料还含有锰源，所述锰源例如可以为锰盐，进一步优选地，所述锰盐为硝酸锰和/或硅酸锰，更进一步优选为硝酸锰。在该优选实施方式中，硝酸锰可以在烧结过程中分解为氧气、一氧化氮气体和MnO2，而MnO2能够与氮化铝反应生产氧化铝、MnO和氮气，气体的产生能够显著提高氮化铝陶瓷的孔隙率，在一定程度上增强氮化铝陶瓷与金属的结合性。MnO2与氮化铝的反应式如下：
2AlN+3MnO2＝Al2O3+3MnO+N2↑
根据本发明所述的方法，优选地，所述原料还含有钇源，更优选地，所述钇源为氧化钇，氧化钇的加入能够降低烧结的温度并提高氮化铝陶瓷板的韧性和强度。
在本发明的一种优选实施方式中，所述原料含有氮化铝粉、氧化铜粉和/或氧化亚铜粉、氧化钇、硅酸锰、硝酸锰和粘结剂，从而能够提高氮化铝陶瓷的抗弯强度以及其与金属的结合性。更优选地，以原料的总重量为基准，所述氮化铝颗粒的用量为70-90重量％；氧化钇的用量为2-10重量％；氧化铜粉的用量为0-10重量％；氧化亚铜粉的用量为0-10重量％；硝酸锰的用量为0-10重量％，余量为以干重计的粘结剂，且氧化铜粉和氧化亚铜粉的含量不同时为0；进一步优选地，以原料的总重量为基准，所述氮化铝颗粒的用量为80-90重量％；氧化钇的用量为5-8重量％；氧化铜粉的用量为5-10重量％；氧化亚铜粉的用量为5-10重量％；硝酸锰的用量为3-6重量％，余量为以干重计的粘结剂，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷的抗弯强度以及其与金属的结合性。
根据本发明所述的方法，氮化铝颗粒可以为本领域各种常规的氮化铝颗粒，优选地，氮化铝颗粒的粒径为5-200μm，更优选为30-150μm，进一步优选为50-100μm，从而能够提高制得的氮化铝陶瓷的孔隙率。
根据本发明所述的方法，铜氧化物粉末可以为本领域各种常规的铜氧化物粉末，其粒径例如可以为5-50μm。
根据本发明所述的方法，所述粘结剂可以为本领域各种常规的粘结剂，例如可以为聚乙烯醇(PVA)水溶液、PVB醇溶液和环氧树脂中的至少一种，优选为聚乙烯醇水溶液；进一步优选地，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为5-20重量％，更优选为8-12重量％，从而能够提高压型后氮化铝陶瓷的强度和成形性，不易破碎便于拿放。
根据本发明所述的方法，所述混合可以采用常规的捏合机进行，混合的时间只要使得原料中各组分混合均匀即可，例如混合时间可以为1.5-5h。在本发明的一种具体实施方式中，可以先将固体组分混合0.5-2h，然后再加入粘结剂溶液混合1-3h。
根据本发明所述的方法，所述干燥可以为本领域各种常规的干燥条件和方式，例如可以采用烘箱在60-80℃下干燥0.5-1.5h。
根据本发明所述的方法，该方法还优选包括在粉碎后且压片前的过筛步骤，所述过筛所用的筛的筛孔为50-300目，优选为80-100目。
根据本发明所述的方法，压制成型的方式可以为本领域各种压制成片的机械压制方法。压制成型的条件可以包括：在压力为30-50kg/cm2保压20-30s。压制成型的模具可以各种规格的模具，例如可以为圆角正方形模具。
根据本发明所述的方法，优选地，所述烧结温度控制程序包括：由室温升温至150-350℃，保温1-3h，然后再升温至1000-1300℃，保温2-5h；更优选地，由室温升温至180-300℃，保温1.5-3h，然后再升温至1050-1200℃，保温2-5h；进一步优选地，由室温升温至200-300℃，保温2-3h，然后再升温至1050-1150℃，保温2-3h，从而能够保证制得的氮化铝陶瓷具有较高的抗弯强度以及较高的金属结合力。
优选地，升温速度为2-10℃/min，更优选为2-7℃/min，进一步优选为3-5℃/min，从而能够保证制得的氮化铝陶瓷具有较高的抗弯强度以及较高的金属结合力。
根据本发明所述的方法，优选地，所述烧结在氮氧气氛下进行，所述氮氧气氛由含氮气和氧气的混合气体提供，所述混合气体中氧气的含量为1-15体积％，优选为5-10体积％。氧气含量过低，则无法满足氮化铝与氧化铜或氧化亚铜的反应，氧气含量过高，会导致产生过量的氧化铝，从而使得氮化铝陶瓷纯度降低，进而降低其散热性、强度和耐受性。
根据本发明所述的方法，优选地，所述原料不含造孔剂，所述造孔剂为淀粉、硬脂酸和碳粉，进一步优选地，所述造孔剂为碳粉。即本发明的原料不含有造孔剂碳粉时，能够避免造孔剂残留，改善界面层性能，形成与铜铝润湿性较好的CuAlO2。
第三方面，本发明提供了上述方法制得的氮化铝陶瓷。
本发明的氮化铝陶瓷的孔隙率可以为20-40％，抗弯强度可以为10-40MPa，其与金属铜的结合力可以高达6-10N/mm，且其与金属铝的结合力可以高达8-15N/mm。
第四方面，本发明还提供了上述氮化铝陶瓷在制备金属基氮化铝复合材料中的应用。
优选地，所述金属为铜、铜合金、铝和铝合金中的一种或多种，从而能够使得制得的金属基氮化铝复合材料中金属铜与氮化铝陶瓷的结合力高达6-10N/mm，金属铝与氮化铝陶瓷的结合力高达8-15N/mm。本发明中，铝合金可以为本领域各种种类的铝合金，例如可以为铝硅合金、铝镁合金、铝钛合金、铝锆合金中的至少一种，铜合金可以为本领域各种种类的铜合金，例如可以为紫铜、黄铜、白铜中的至少一种。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
氮化铝陶瓷原料组成为：以原料的总重量为基准，氮化铝粉用量为80重量％；氧化钇用量为5重量％；氧化亚铜粉用量为10重量％；硝酸锰用量为4重量％；10重量％PVA水溶液用量为10重量％，其中，氮化铝粉的粒径为90μm，氧化亚铜粉的粒径为15μm。
将上述氮化铝陶瓷原料中的固体组分在捏合机中混合0.5h，然后再加入粘结剂PVA水溶液，继续混合1h，将混合物移至烘箱在70℃下干燥1.0h，然后粉碎并过筛，筛的筛孔为80目，取筛下物将其放入60*60正方形模具中，在30kg/cm2压力下保压20s压制成片，得到60mm*60mm方片，最后在氧气含量为5体积％的氮氧气氛下进行烧结，制得氮化铝陶瓷A1，烧结的温度控制程序为：以3℃/min升温速度由室温升至300℃，保温2h，然后再以3℃/min升温速度升温至1100℃，保温2.5h。
实施例2
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
氮化铝陶瓷原料组成为：以原料的总重量为基准，氮化铝粉用量为84重量％；氧化钇用量为7重量％；氧化铜粉用量为6重量％；硝酸锰用量为2重量％；10重量％PVA水溶液用量为10重量％，其中，氮化铝粉的粒径为90μm，氧化铜粉的粒径为15μm。
将上述氮化铝陶瓷原料中的固体组分在捏合机中混合0.5h，然后再加入粘结剂PVA水溶液，继续混合1h，将混合物移至烘箱在80℃下干燥0.5h，然后粉碎并过筛，筛的筛孔为90目，取筛下物将其放入60*60正方形模具中，在40kg/cm2压力下保压30s压制成片，得到60mm*60mm方片，最后在氧气含量为10体积％的氮氧气氛下进行烧结，制得氮化铝陶瓷A2，烧结的温度控制程序为：以4℃/min升温速度由室温升至200℃，保温3h，然后再以5℃/min升温速度升温至1050℃，保温3h。
实施例3
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
氮化铝陶瓷原料组成为：以原料的总重量为基准，氮化铝粉用量为80重量％；氧化钇用量为5重量％；氧化亚铜粉用量为5重量％；氧化铜粉用量为5重量％，硝酸锰用量为3.8重量％；8重量％PVA水溶液用量为15重量％，其中，氮化铝粉的粒径为90μm，氧化亚铜粉的粒径为15μm，氧化铜粉的粒径为30μm。
将上述氮化铝陶瓷原料中的固体组分在捏合机中混合1h，然后再加入粘结剂PVA水溶液，继续混合2h，将混合物移至烘箱在60℃下干燥1.5h，然后粉碎并过筛，筛的筛孔为90目，取筛下物将其放入60*60正方形模具中，在50kg/cm2压力下保压25s压制成片，得到60mm*60mm方片，最后在氧气含量为15体积％的氮氧气氛下进行烧结，制得氮化铝陶瓷A3，烧结的温度控制程序为：以5℃/min升温速度由室温升至260℃，保温2.5h，然后再以4℃/min升温速度升温至1150℃，保温2h。
实施例4
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，氮化铝陶瓷原料组成为：以原料的总重量为基准，氮化铝粉用量为73.5重量％；氧化钇用量为4重量％；氧化亚铜粉用量为15重量％；硝酸锰用量为6重量％；10重量％PVA水溶液用量为15重量％，制得氮化铝陶瓷A4。
实施例5
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，以原料的总重量为基准，氧化亚铜粉用量为2重量％，使得制得的氮化铝陶瓷A5中CuAlO2的含量为2.73重量％。
实施例6
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含硝酸锰，而将硝酸锰替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷A6。
实施例7
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含有氧化钇，而将氧化钇替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷A7。
实施例8
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，以原料的总重量为基准，氧化钇的用量为3重量％，使得制得的氮化铝陶瓷A8中Y2O3的含量为0.61重量％，YAlO3的含量为2.73重量％。
实施例9
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，氮化铝粉的粒径为120μm，制得氮化铝陶瓷A9。
实施例10
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，烧结的温度控制程序为：以6℃/min升温速度由室温升至180℃，保温2h，然后再以6℃/min升温速度升温至1160℃，保温3.5h，制得氮化铝陶瓷A10。
实施例11
本实施例用于说明本发明的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，烧结的温度控制程序为：以2℃/min升温速度由室温升至160℃，保温1h，然后再以2℃/min升温速度升温至1250℃，保温2h，制得氮化铝陶瓷A11。
对比例1
本对比例用于说明参比的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含氧化亚铜粉和硝酸锰，而将氧化亚铜粉和硝酸锰替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷D1。
对比例2
本对比例用于说明参比的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例1的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含氧化亚铜粉，而将氧化亚铜粉替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷D2。
对比例3
本对比例用于说明参比的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例2的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含氧化铜粉，而将氧化铜粉替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷D3。
对比例4
本对比例用于说明参比的氮化铝陶瓷及其制备方法。
按照实施例3的方法制备氮化铝陶瓷，不同的是，原料中不含氧化铜粉和氧化亚铜粉，而将氧化铜粉和氧化亚铜粉替换为等量的氮化铝粉，制得氮化铝陶瓷D4。
试验例
将实施例1-11制得的氮化铝陶瓷A1-A11和对比例1-4制得的氮化铝陶瓷D1-D4与金属铝和铜分别进行复合，分别制得铝基和铜基氮化铝复合材料，具体的制备方法为：将氮化铝陶瓷装入模具中，并将模具放置到浸渗装置炉腔中进行预热，然后将熔融的金属液倒入模具中保温并抽真空，再进氮气加压，然后冷却出炉脱模，其中，金属液分别为铜和铝。
测试例1
将实施例1-11制得的氮化铝陶瓷A1-A11和对比例1-4制得的氮化铝陶瓷D1-D4按照GB/T 25995-2010测定孔隙率和密度，具体的方法为：利用阿基米德原理，把氮化铝陶瓷浸入融化的石蜡液中浸泡0.5h，使石蜡填满氮化铝陶瓷中的孔隙，然后取出采用排水法测出氮化铝陶瓷的体积，计算出氮化铝陶瓷的密度和孔隙率，结果见下表1。
测试例2
将实施例1-11制得的氮化铝陶瓷A1-A11和对比例1-4制得的氮化铝陶瓷D1-D4按照GB/T1451-2005测定抗弯强度，具体的测定方法为：将烧结制得的氮化铝陶瓷用EC-400划片切割机切成长*宽*高为50*10*4mm的试样条，用GJ-1166A型500kg万能试验机测试，测试参数为：跨距30mm，下压速度0.5mm/min，测定结果见下表1。
测试例3
将实施例1-2制得的氮化铝陶瓷A1-A4和对比例1制得的氮化铝陶瓷D1按照JY/T009-1996进行XRD物相测定，结果见下表2。
测试例4
将上述试验例制备的铝基或铜基氮化铝复合材料进行金属与氮化铝陶瓷结合力测试，测定结果见下表1。
测定方法为：(1)使用化学蚀刻方法将试验例制得的氮化铝与铝复合材料(DBA)和氮化铝与铜复合材料(DBC)表面的铜或铝层蚀刻成80mm×5mm大小的条状；(2)将蚀刻得到的测试样品固定在测试夹具上，使用万能试验机将铜条或铝条沿垂直方向从复合材料表面剥离，并在电脑上读出所测的最小剥离力F小及平均剥离力F平；(3)用卡尺测量剥离铜条或铝条的宽度d；
(4)依据以下公式计算出对应的剥离强度，其中，测试条件：温度为15-25℃，湿度为50-60％。
剥离强度(N/mm)＝最小剥离力(N)/试样条宽度(mm)
表1
表2
氮化铝陶瓷组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
AlN 75.2 79.17 73.1 68.4 92.71
Al2O3 2.64 2.78 3.19 2.58 0.83
Y2O3 1.28 1.83 1.35 1.16 1.76
YAlO3 3.6 4.72 3.62 3.45 4.7
CuAlO2 14.28 10.09 15.76 19.91 /
CuO 0.22 0.11 0.28 0.38 /
Cu2O 0.32 0.06 0.25 0.49 /
MnO2 1.26 0.65 1.19 1.87 /
MnO 1.2 0.59 1.26 1.76 /
从表1的数据可以看出，本发明制得的氮化铝陶瓷的密度可以为1.96-2.59g/cm3，孔隙率可以为20-40％，抗弯强度可以为10-40MPa，氮化铝陶瓷与金属铜的结合力可以高达6-10N/mm，氮化铝陶瓷与金属铝的结合力可以高达8-15N/mm。即本发明能够制得孔隙率、抗弯强度较高的氮化铝陶瓷，从而显著提高制得的铝基或铜基氮化铝复合材料中金属与氮化铝陶瓷的结合力。从表2的数据可以看出，本发明制得的氮化铝陶瓷中形成了CuAlO2物质。
本发明的氮化铝陶瓷采用原位造孔方法，形成了多孔的陶瓷结构。并且，由于形成了与金属铜、铝的润湿性较好的CuAlO2，从而减少了后续氮化铝陶瓷与金属复合时界面层的构建，有利于其后续与金属进行复合来制备金属基氮化铝复合材料。另外，CuAlO2可能在氮化铝颗粒表面形成了膜层，该膜层在后续氮化铝陶瓷与熔融金属的复合过程中可能起到界面层的作用，从而能够进一步提高氮化铝陶瓷与金属的结合力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (20)

1.一种氮化铝陶瓷，其特征在于，该氮化铝陶瓷含有氮化铝和CuAlO2，所述氮化铝陶瓷的孔隙率为20-40％。
2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷，其中，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，CuAlO2的含量为5-20重量％。
3.根据权利要求1或2所述的氮化铝陶瓷，其中，该氮化铝陶瓷还含有铜氧化物，所述铜氧化物为氧化铜和/或氧化亚铜。
4.根据权利要求3所述的氮化铝陶瓷，其中，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，所述铜氧化物的含量为0-3重量％，优选为0.1-1重量％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的氮化铝陶瓷，其中，该氮化铝陶瓷还含有MnO2、MnO和Al2O3，优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，MnO2的含量为0-3重量％，优选为1-2重量％，MnO的含量为0-3重量％，优选为1-2重量％，Al2O3的含量为0-5重量％，优选为2-4重量％；
优选地，该氮化铝陶瓷还含有Y2O3和YAlO3，优选地，以该氮化铝陶瓷的总量为基准，Y2O3的含量为1-5重量％，YAlO3的含量为1-10重量％。
6.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷，其中，该氮化铝陶瓷含有氮化铝、CuAlO2、氧化铜和/或氧化亚铜、MnO2、MnO、Al2O3、Y2O3、YAlO3和碳；
优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为70-90重量％，CuAlO2的含量为5-20重量％，氧化铜的含量为0-1重量％，氧化亚铜的含量为0-1重量％，MnO2的含量为0-2重量％，MnO的含量为0-2重量％，Al2O3的含量为1-5重量％，Y2O3的含量为1-3重量％，YAlO3的含量为3-5重量％，余量为碳；
进一步优选地，以氮化铝陶瓷的总重量为基准，所述氮化铝的含量为80-90重量％，CuAlO2的含量为5-15重量％，氧化铜的含量为0.05-0.5重量％，氧化亚铜的含量为0.05-0.5重量％，MnO2的含量为1-1.5重量％，MnO的含量为1-1.5重量％，Al2O3的含量为2-4重量％，Y2O3的含量为1-2重量％，YAlO3的含量为3-4重量％，余量为碳。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的氮化铝陶瓷，其中，该氮化铝陶瓷的密度为1.96-2.59g/cm3。
8.一种制备氮化铝陶瓷的方法，其特征在于，该方法包括：将含有氮化铝颗粒、铜氧化物粉末和粘结剂的原料依次混合、干燥、粉碎、压制成型并烧结，所述铜氧化物粉末为氧化铜粉和/或氧化亚铜粉。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原料还含有锰源，所述锰源为锰盐，优选地，所述锰盐为硝酸锰和/或硅酸锰，进一步优选为硝酸锰；
优选地，所述原料还含有钇源，所述钇源为氧化钇。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述原料含有氮化铝颗粒、氧化铜粉和/或氧化亚铜粉、氧化钇、硅酸锰、硝酸锰和粘结剂；
优选地，以原料的总重量为基准，所述氮化铝颗粒的用量为70-90重量％；氧化钇的用量为2-10重量％；氧化铜粉的用量为0-10重量％；氧化亚铜粉的用量为0-10重量％；硝酸锰的用量为0-10重量％，余量为以干重计的粘结剂，且氧化铜粉和氧化亚铜粉的含量不同时为0；
进一步优选地，以原料的总重量为基准，所述氮化铝颗粒的用量为80-90重量％；氧化钇的用量为5-8重量％；氧化铜粉的用量为5-10重量％；氧化亚铜粉的用量为5-10重量％；硝酸锰的用量为3-6重量％，余量为以干重计的粘结剂。
11.根据权利要求8-10中任意一项所述的方法，其中，所述烧结温度控制程序包括：由室温升温至150-350℃，保温1-3h，然后再升温至1000-1300℃，保温2-5h；优选地，由室温升温至180-300℃，保温1.5-3h，然后再升温至1050-1200℃，保温2-5h；进一步优选地，由室温升温至200-300℃，保温2-3h，然后再升温至1050-1150℃，保温2-3h。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，升温速度为2-10℃/min，优选为2-7℃/min，更优选为3-5℃/min。
13.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，所述烧结在氮氧气氛下进行，所述氮氧气氛由含氮气和氧气的混合气体提供，所述混合气体中氧气的含量为1-15体积％，优选为5-10体积％。
14.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，所述氮化铝颗粒的粒径为5-200μm，优选为30-150μm，更优选为50-100μm。
15.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括粉碎后且压片前的过筛步骤，所述过筛所用的筛的筛孔为50-300目，优选为80-100目。
16.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液、PVB醇溶液和环氧树脂中的至少一种，优选为聚乙烯醇水溶液；
进一步优选地，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为5-20重量％，优选为8-12重量％。
17.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，所述原料不含造孔剂，所述造孔剂为淀粉、硬脂酸和碳粉，进一步优选地，所述造孔剂为碳粉。
18.权利要求8-17中任意一项所述的方法制得的氮化铝陶瓷。
19.权利要求1-7和18中任意一项所述的氮化铝陶瓷在制备金属基氮化铝复合材料中的应用。
20.根据权利要求19所述的应用，其中，所述金属为铜、铜合金、铝和铝合金中的一种或多种。
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