CN109836135A - 一种氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法。本发明采用特定尺寸的一维导热材料，依照特定比例与二维导热材料和/或零维导热材料形成导热添加剂，获得了同时具备高导热系数和高抗弯强度的氧化铝陶瓷材料，同时还可以有效保证氧化铝陶瓷材料的绝缘性能。本发明还进一步涉及用所述氧化铝陶瓷制得的陶瓷散热基板。

Description

一种氧化铝陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法，特别是涉及一种可应用于高导热陶瓷基板的氧化铝陶瓷及其制备方法。本发明还进一步涉及用所述氧化铝陶瓷制得的陶瓷散热基板。

背景技术

随着国家对于可持续发展要求的不断加强，节能减排相关技术越来越受到各方的关注。LED技术是逐渐兴起的新型节能照明技术，但是对于LED组件的散热一直是制约其发展的瓶颈之一，特别是对于大功率LED照明设备。

目前广泛采用的散热基板为金属铝制基板，其具有良好的导热性。但是在使用过程中铝容易受热膨胀，引起散热基板的变形甚至脱落，从而影响LED照明设备的使用寿命，在大功率LED照明设备中通常无法使用。所以目前在大功率LED照明设备中广泛采用陶瓷散热基板，主要有氧化铍、氮化铝和氧化铝材料。其中，氧化铍虽然具有很高的导热系数，但是由于其具有毒性，极大地限制了其应用。氮化铝也具有较高的导热系数，但是由于氮化铝易于被氧化，并且即使当其表面有非常薄的氧化层时，也会使其导热性能严重下降；同时，由于制备工艺要求高，氮化铝陶瓷的价格偏高。氧化铝陶瓷基板也是常用的陶瓷散热基板，其制备成本相对较低且强度和化学稳定性高，但是其导热系数偏低，通常导热系数都在30W/mK以下。

所以，为了满足陶瓷散热基板的性能需求，通常会在氧化铝陶瓷中添加高导热成分。CN105254286A公开了一种高导热氧化铝陶瓷材料，其在氧化铝原料中添加了10-20%的氮化铝粉体。CN105236942A公开了一种高导热氧化铝陶瓷基片，其在氧化铝原料中添加了碳化硅、碳纤维等以提高陶瓷导热性能。虽然在氧化铝陶瓷中添加高导热成分可以提高其导热系数，但是导热添加剂的加入会使氧化铝陶瓷基板的抗弯强度大幅衰减，通常导热系数为30W/mK左右的氧化铝陶瓷散热基板，其抗弯强度都小于200MPa，使得使用氧化铝陶瓷基板的设备在运输和安装过程中容易被损坏。另外，石墨、碳纤维等高导热添加剂用于氧化铝陶瓷时，还使得氧化铝陶瓷基板的电阻率大幅降低，从而使得其不满足用于大功率设备时所必须的绝缘性能要求。因此，对于LED照明设备，特别是大功率的LED照明设备，急需一种兼顾强度、导热性能和绝缘性能的陶瓷基板材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼顾强度、导热性能、绝缘性能以及制造成本的氧化铝陶瓷材料及其制备方法。进一步地，本发明的目的还在于提供一种兼顾强度、导热性能和绝缘性能的陶瓷散热基板。

为此，本发明的发明人创造性地发现，相比较于单一类型、单一形态的导热添加剂，采用复合类型和形态的导热添加剂令人意外地大幅提高了氧化铝陶瓷材料的导热系数。特别地，采用特定尺寸的一维导热材料依照特定比例与二维导热材料和/或零维导热材料形成导热添加剂，在显著提高氧化铝陶瓷材料导热系数的同时，使得氧化铝陶瓷材料的抗弯强度未显著下降。另外，采用本发明的导热添加剂，还可以有效保证氧化铝陶瓷材料的绝缘性能。

本发明公开了一种氧化铝陶瓷，其原料包括氧化铝85-95质量%、氧化锆2-5质量%、氧化镁1-3质量%、氧化钙1-3质量%、导热添加剂4-6质量%，其特征在于所述导热添加剂由以下组分构成：一维导热材料以及二维导热材料和/或零维导热材料。

所述导热添加剂中所述一维导热材料与所述二维导热材料和/或零维导热材料的质量比为3-5:1；所述一维导热材料的长度为15-20μm，长径比为10-30:1。

所述氧化铝陶瓷的体积电阻率≥10¹²Ω·m，优选体积电阻率≥10¹³Ω·m。

优选地，所述原料氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙为粉体，粉体粒径≤0.5μm；所述二维导热材料的粒径≤50μm，厚度≤0.5μm；所述零维导热材料的粒径≤1μm。

优选所述导热添加剂由一维导热材料和二维导热材料组成，或者所述导热添加剂由一维导热材料和零维导热材料组成。

优选地，所述一维导热材料为碳化硅晶须；所述二维导热材料为石墨片层、石墨烯片层或六方氮化硼片层，优选为六方氮化硼片层；所述零维导热材料为氮化硅颗粒、碳化硅颗粒或氮化铝颗粒，优选为氮化铝颗粒。

优选所述氧化铝陶瓷的导热系数为≥50W/mK，抗弯强度≥210MPa。

优选地，所述导热添加剂为碳化硅晶须和六方氮化硼片层。

本发明还公开了前述氧化铝陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙原料粉体按配比混合均匀，形成第一混合物；

（2）将导热添加剂中的二维导热材料和/或零维导热材料按配比与上述第一混合物混合均匀，形成第二混合物；

（3）将导热添加剂中的一维导热材料按配比与上述第二混合物混合均匀，形成混合原料；

（4）将混合原料经过模压成型，在惰性气氛下烧结得到所述氧化铝陶瓷。

优选地，步骤（1）-（3）中混合采用湿式球磨混合，混合介质采用无水乙醇；步骤（3）之后在混合原料中添加PEG或PVA进行造粒并干燥；步骤（4）中的模压压力为150-200MPa，烧结温度为1500-1600℃；步骤（4）中的惰性气氛为氮气气氛或稀有气体气氛。

本发明还公开了一种陶瓷散热基板，其由前述的氧化铝陶瓷制备得到。

本发明的氧化铝陶瓷材料，在具有与现有技术相同或更优的导热系数的同时，还具有显著高于现有技术的抗弯强度和体积电阻率，使得本发明的氧化铝陶瓷材料可以满足大功率LED照明设备散热基板的应用要求，并且也没有显著增加其生产制造的成本，适于进一步的推广和应用。

本发明的其他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

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的描述和说明。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公开，并不用于限制本公开。

实施例1-8

（1）按照表1的原料组成配比称取相应的原料；所述原料氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙为粉体，粉体粒径≤0.5μm；导热添加剂中一维导热材料的长度为15-20μm，长径比为10-30:1；二维导热材料的粒径≤50μm，厚度≤0.5μm；零维导热材料的粒径≤1μm；

（2）采用无水乙醇作为混合介质，采用湿式球磨混合将氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙原料粉体混合均匀，形成第一混合物；

（3）将导热添加剂中的二维导热材料和/或零维导热材料加入上述第一混合物，湿式球磨混合均匀形成第二混合物；

（4）将导热添加剂中的一维导热材料加入上述第二混合物，湿式球磨混合均匀形成混合原料；

（5）在混合原料中添加3-5质量%的PEG或PVA并混合均匀，然后对混合原料进行造粒，干燥后得到混合原料粉体；

（6）将混合原料粉体在150-200MPa压力下模压成型，然后在气氛烧结炉中，惰性气氛下，1500-1600℃烧结得到所述氧化铝陶瓷。所述惰性气氛可以选择氮气气氛或稀有气体气氛，以保护导热添加剂不被氧化。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7	实施例8
									氧化铝（质量%）	87	85	88	85	90	86	87	86
氧化锆（质量%）	4	4	3	5	3	4	5	4
									氧化镁（质量%）	3	3	3	1	1	2	3	2
氧化钙（质量%）	1	2	2	3	1	2	1	3
									碳化硅晶须（质量%）	4	5	3	5	4	5	3	4
六方氮化硼片层（质量%）	1	1	1	--	--	--	--	--
									石墨片层（质量%）	--	--	--	--	--	--	1	--
石墨烯片层（质量%）	--	--	--	--	--	1	--	--
									氮化硅颗粒（质量%）	--	--	--	1	--	--	--	--
碳化硅颗粒（质量%）	--	--	--	--	--	--	--	1
									氮化铝颗粒（质量%）	--	--	--	--	1	--	--	--
									导热系数（W/mK）	65	67	58	57	63	63	51	59
抗弯强度（MPa）	253	237	249	240	223	236	210	241
									体积电阻率（10<sup>12</sup>Ω•m）	12	11	14	10	7.1	3.5	1.1	9.3

对比例1-8

按照表2的原料组成配比称取相应的原料，其中导热添加剂中一维导热材料的长度如表2所示，其余与实施例1-8相同。

对于通过实施例1-8和对比例1-8制备得到的氧化铝陶瓷，采用现有技术中常规的测试方法，对氧化铝陶瓷样品的导热系数、抗弯强度和体积电阻率进行测定，得到的性能测试结果如表1和表2所示。

表2

	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例8
									氧化铝（质量%）	89	89	85	86	87	85	85	85
氧化锆（质量%）	4	4	4	3	4	5	4	4
									氧化镁（质量%）	3	2	2	1	3	1	3	3
氧化钙（质量%）	1	3	2	1	1	3	2	2
									碳化硅晶须（质量%）**	2.4	1.6	5.83	7.2	3	4	5**	5**
六方氮化硼片层（质量%）	0.6	--	--	--	2	--	1	1
									石墨片层（质量%）	--	--	--	--	--	--	--	--
石墨烯片层（质量%）	--	--	1.17	--	--	--	--	--
									氮化硅颗粒（质量%）	--	--	--	--	--	2	--	--
碳化硅颗粒（质量%）	--	0.4	--	--	--	--	--	--
									氮化铝颗粒（质量%）	--	--	--	1.8	--	--	--	--
									导热系数（W/mK）	48	37	61	65	42	37	40	33
抗弯强度（MPa）	227	209	201	165	207	199	201	204
									体积电阻率（10<sup>12</sup>Ω•m）	10	12	0.4	9.8	12	10	11	11

**表2对比例1-6中碳化硅晶须长度为15-20μm，对比例7中碳化硅晶须长度为5-10μm，对比例8碳化硅晶须长度为25-30μm。

通过对比例1-4可以看出，当导热添加剂的含量低于4质量%或高于6质量%时，所制得的氧化铝陶瓷无法同时具有高的导热率和高的抗弯强度，某些情况下体积电阻率也低于10¹²Ω•m。由对比例5-6来看，当导热添加剂中一维导热材料与二维导热材料和/或零维导热材料的质量比不满足3-5:1时，氧化铝陶瓷的导热系数和抗弯强度均会变差。由对比例7-8来看，当导热添加剂中一维导热材料的长度小于15μm或者大于20μm时，氧化铝陶瓷的导热系数和抗弯强度也都会变差，无法满足大功率设备陶瓷散热基板的要求。

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 (10)

1.一种氧化铝陶瓷，其原料包括氧化铝85-90质量%、氧化锆2-5质量%、氧化镁1-3质量%、氧化钙1-3质量%、导热添加剂4-6质量%，其特征在于所述导热添加剂由以下组分构成：一维导热材料 以及二维导热材料和/或零维导热材料；

所述导热添加剂中所述一维导热材料与所述二维导热材料和/或零维导热材料的质量比为3-5:1；所述一维导热材料的长度为15-20μm，长径比为10-30:1；

所述氧化铝陶瓷的体积电阻率≥10¹²Ω·m，优选体积电阻率≥10¹³Ω·m。

2.如权利要求1所述的氧化铝陶瓷，其中原料氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙为粉体，粉体的粒径≤0.5μm；所述二维导热材料的粒径≤50μm，厚度≤0.5μm；所述零维导热材料的粒径≤1μm。

3.如权利要求1-2所述的氧化铝陶瓷，其中所述导热添加剂由一维导热材料和二维导热材料组成，或者所述导热添加剂由一维导热材料和零维导热材料组成。

4.如权利要求1-3所述的氧化铝陶瓷，所述一维导热材料为碳化硅晶须；所述二维导热材料为石墨片层、石墨烯片层或六方氮化硼片层，优选为六方氮化硼片层；所述零维导热材料为氮化硅颗粒、碳化硅颗粒或氮化铝颗粒，优选为氮化铝颗粒。

5.如权利要求1-4所述的氧化铝陶瓷，其导热系数为≥50W/mK，抗弯强度≥210MPa。

6.如权利要求1-5所述的氧化铝陶瓷，其中所述导热添加剂为碳化硅晶须和六方氮化硼片层。

7.如权利要求1-6所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：

（1）将氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙原料粉体按配比混合均匀，形成第一混合物；

（2）将导热添加剂中的二维导热材料和/或零维导热材料按配比与上述第一混合物混合均匀，形成第二混合物；

（3）将导热添加剂中的一维导热材料按配比与上述第二混合物混合均匀，形成混合原料；

（4）将混合原料经过模压成型，在惰性气氛下烧结得到所述氧化铝陶瓷。

8.如权利要求7所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其中步骤（4）中的惰性气氛为氮气气氛或稀有气体气氛。

9.如权利要求7-8所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其中步骤（1）-（3）中混合采用湿式球磨混合，混合介质采用无水乙醇；步骤（3）之后在混合原料中添加PEG或PVA进行造粒并干燥；步骤（4）中的模压压力为150-200MPa，烧结温度为1500-1600℃。

10.一种陶瓷散热基板，其由权利要求1-6所述的氧化铝陶瓷制备得到。