CN111876625B

CN111876625B - 一种AlNMg复合材料及其制备方法

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Publication number: CN111876625B
Application number: CN202010685763.XA
Authority: CN
Inventors: 崔铖
Original assignee: Shaanxi Maitrei Technology Co ltd
Current assignee: Shaanxi Maitrei Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: CN111876625A

Abstract

本发明公开了一种AlNMg复合材料及其制备方法，包括以下步骤：S1、将粒径分别为10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按一定比例混合均匀；S2、粉料当中加入粘合剂、十六烷基三甲基溴化铵以及造孔剂；S3、放入模具中，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结；S5、在惰性气氛保护下，采用真空差压铸造的方法铸造；S6、退火处理后即得。本发明通过选用特定范围和比例的AlN颗粒来控制氮化铝多孔陶瓷的力学性能，然后采用真空差压铸造的方式，将镁合金溶液浸渗至氮化铝陶瓷孔隙当中，最终得到具有较高热导率、优异的力学性能的AlNMg复合材料，克服了现有技术的不足。

Description

一种AlNMg复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别涉及一种AlNMg复合材料及其制备方法。

背景技术

镁合金其特点是密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐腐蚀性能好，是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。然而相比其他成熟的结构材料，镁锂合金有着绝对强度低、弹性模量低等不足，这从而也限制了其应用范围。

氮化铝陶瓷具有热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小等优点，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料，但由于成本较高，也使其应用受到限制。如何将氮化铝陶瓷及镁合金性能优点集于一身，制备出密度低，强度高，导热性好，膨胀系数低的复合材料，使其在电子封装及结构件应用方面发挥更大的作用，是研究人员所面临的技术难题。

金属陶瓷作为一种金属－陶瓷符合材料，其极具有陶瓷材料的低密度、高强度、高硬度等优点，由具有金属材料的韧性、强导热性、可加工性等优势，是金属基复合材料改性的有效方法之一。目前，制备金属基复合材料的方法主要有粉末冶金、搅拌铸造、离心铸造、压力铸造和溶体铸造等，其中，熔体铸造具有效率高、成本低的优点而成为制备金属基复合材料的优选工艺。

中国专利CN102861905A公开了一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，该专利文献的背景技术中指出，压力铸造渗透技术制备金属复合材料是用于熔点较低的有色金属复合材料，对高熔点的钢铁材料不适用，且对设备有较高的要求，又指出，中国专利CN101269411A的多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法利用了真空负压渗透工艺，该技术对铸造沙箱和其他配套设备的耐受压力有一定的要求，且随着使用砂箱体积的增大，要求其耐受压力值越大。为了克服这些问题，制备出符合要求的氧化铝铁基复合材料，其采用的技术手段是：1、采用熔体铸造工艺，并抽真空在一定负压下进行；2、通过调节陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸的陶瓷离子实现并控制预制件的孔隙率，在进行活性Si元素改性处理，改善陶瓷离子与金属的润湿性和界面结合效果，有助于提高复合材料的界面结合强度，并结合组成一种耐磨材料。对于氮化铝－镁合金复合材料来说，氮化铝与氧化铝存在很大不同，在导热系数、硬度、耐高温、烧结温度等方面存在较大区别，导致氮化铝陶瓷和氧化铝陶瓷的烧结工艺不同，也就导致氮化铝陶瓷－金属基复合材料的制备工艺与氧化铝－金属基复合材料的制备工艺不能通用，进一步，镁合金与钢铁在熔点和金属液流动性方面存在较大差别，镁合金属于低熔点金属材料，而钢铁属于高熔点金属材料，铁基复合材料的制备工艺并不适合制备镁合金基复合材料，因此，该专利技术并不适合用于制备氮化铝－镁合金复合材料。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供AlNMg复合材料及其制备方法，通过采用溶体铸造工艺，在制备氮化铝陶瓷时，通过选用特定范围和比例的AlN颗粒来控制氮化铝多孔陶瓷的力学性能，同时控制与镁合金结合的强度，然后采用真空差压铸造的方式，在正压力作用下，将镁合金溶液浸渗至氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，最终得到具有较低膨胀系数、优异的力学性能的AlNMg复合材料，AlN颗粒含量可达到60％以上，可满足结构件和封装材料要求，克服了现有技术的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按一定比例混合均匀；

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为0.5－3％的粘合剂、1.5％－3％的十六烷基三甲基溴化铵以及3－20％的造孔剂，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在10－20MPa压力下保压5－60s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为500－1000℃，烧结完成后得到氮化铝多孔陶瓷；

S5、将氮化铝多孔陶瓷放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将镁合金金属液注入氮化铝陶瓷孔隙当中；

S6、冷却后将复合材料放入热处理炉中进行退火处理，即得到AlNMg复合材料。

在上述制备方法中，选择特定粒径范围的AlN颗粒并按一定比例混合的缘由在于：主要是为了提高氮化铝陶瓷的力学性能，在该粒径分布下，烧结时大粒径和小粒径AlN颗粒能更好的相互扩散，氮化铝陶瓷烧制体的表面更致密，能阻止氧原子等不利物质向烧制体内部组织扩散，由此形成组织致密、力学性能更优异的氮化铝陶瓷，虽然不同粒径的陶瓷粒子能够控制陶瓷的孔隙率，但是，由于不同粒径的陶瓷粒子在烧结时的扩散作用，仅靠控制孔隙率不足以得到力学性能优异，又便于与后续金属液相结合的陶瓷，例如，良好的孔隙率有助于陶瓷粒子的相互扩散，进而形成组织均匀的陶瓷，但不一定会形成组织致密的陶瓷，而且如果小粒径的比重过大，其会严重影响金属液的浸渗过程，由此导致成品失败，而在本发明的设计下，本发明通过特定粒径范围的陶瓷粒子来控制烧结变化和与金属液复合的过程，由此克服了这些问题。进一步，由于本发明采用了一定比例的小粒径陶瓷颗粒，在形成组织致密的陶瓷同时，为了使陶瓷具有多孔结构，在制备陶瓷预烧体时，向预烧体中加入了一定量的造孔剂，并且为了改善陶瓷颗粒与金属液的结合强度，还加入了十六烷基三甲基溴化铵来作为塑性剂和活性剂，有助于改善烧结质量和铸造质量。更进一步，本发明采用真空差压铸造的方式来最终得到该复合材料，其相比于传统的负压铸造和砂型铸造来说，其有助于形成组织致密、浸渗均匀的氮化铝陶瓷－镁合金复合材料，不会出现负压铸造和砂型铸造所存在的缩孔、氧化物夹杂等问题，进而最终得到性能优异的复合材料。

进一步，为了更好的实施本发明，在S1中，10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按照质量比分别为5－30：10－40：30－75的比例混合均匀。

在本发明中，所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚醋酸乙烯脂、糊精、石蜡的一种或多种，优选为聚乙烯醇。

在本发明中，所述造孔剂选自淀粉、碳粉、草酸铵的一种或多种，优选为淀粉。

作为优选，加入质量比分别为0.5－3％的聚乙烯醇、1.5％－3％的十六烷基三甲基溴化铵以及3－20％的淀粉。

进一步，控制镁合金金属液温度为680－750℃，浸渗压力为0.1－0.3MPa。

本发明还包括一种AlNMg复合材料，所述AlNMg复合材料由权利要求1－6之一所述的制备方法制备得到，AlNMg复合材料的抗弯强度不低于300MPa。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用溶体铸造工艺，在制备氮化铝陶瓷时，通过选用特定范围和比例的AlN颗粒来控制氮化铝多孔陶瓷的力学性能，同时控制与镁合金结合的强度，然后采用真空差压铸造的方式，在正压力作用下，将镁合金溶液浸渗至氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，最终得到具有较高热导率、较低膨胀系数、优异的力学性能的AlNMg复合材料，克服了现有技术的不足；

2、本发明提供了一种AlNMg复合材料的制备方法，其制备方法简单方便，最主要的技术贡献是：可以用本发明的制备方法制备高体积分数的AlNMg复合材料，AlN颗粒含量可以达到60％以上，从而达到真正意义上的复合材料，而非传统意义上的AlN颗粒增强镁合金，制备得到的AlNMg复合材料具有较高的热导率和较低的膨胀系数，优异的力学性能，抗弯强度可以达到300MPa以上，膨胀系数为9ppm/E，可满足多方面要求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按照质量比分别为5：10：75的比例混合均匀；

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为3％的聚乙烯醇溶液、1.5％的十六烷基三甲基溴化铵溶液以及10％的淀粉，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在10MPa压力下保压10s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结完成后得到氮化铝多孔陶瓷；

S5、将氮化铝多孔陶瓷放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将镁锂合金金属液注入氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制镁锂合金金属液温度为680℃，浸渗压力为0.1MPa；

实施例2

S1、将粒径分别为10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按照质量比分别为3：4：3的比例混合均匀；

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为0.5的聚乙烯醇溶液、1.5％的十六烷基三甲基溴化铵溶液以及3％的淀粉，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在20MPa压力下保压60s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为800℃，烧结完成后得到氮化铝多孔陶瓷；

S5、将氮化铝多孔陶瓷放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将镁锂合金金属液注入氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制镁锂合金金属液温度为750℃，浸渗压力为0.3MPa；

实施例3

S1、将粒径分别为10－15um、30－40um、60－70um的AlN颗粒按照质量比分别为10：30：60的比例混合均匀；

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为2％的聚乙烯醇溶液；2％的十六烷基三甲基溴化铵溶液；以及15％的淀粉，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在15MPa压力下保压30s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为600℃，烧结完成后得到氮化铝多孔陶瓷；

S5、将氮化铝多孔陶瓷放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将镁铝合金金属液注入氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制镁铝合金金属液温度为700℃，浸渗压力为0.15MPa；

实施例4

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为1.5％的聚乙烯醇溶液；2％的十六烷基三甲基溴化铵溶液；以及20％的淀粉，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在15MPa压力下保压5s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S5、将氮化铝多孔陶瓷放入真空差压铸造炉内模具中，在惰性气氛保护下，通过真空差压铸造的方法，将镁合金金属液注入氮化铝陶瓷孔隙当中，从而完成陶瓷颗粒与金属液界面复合，浸渗过程控制镁合金金属液温度为720℃，浸渗压力为0.1MPa；

上述制得的氮化铝－镁合金复合材料具有较高的热导率，抗弯强度可以达到300MPa以上，膨胀系数为9ppm/E，可满足多方面要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将粒径分别为10-15um、30-40um、60-70um的AlN颗粒按照质量比为5-30：10-40：30-75的比例混合均匀；

S2、向混合好的粉料当中加入质量比分别为0.5-3%的粘合剂、1.5%-3%的十六烷基三甲基溴化铵以及3-20%的造孔剂，搅拌均匀并过筛备用；

S3、将过筛后的物料放入模具当中，在10-20MPa压力下保压5-60s，脱模后得到氮化铝陶瓷预烧体；

S4、将烧结体在真空氮气气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为500-1000℃，烧结完成后得到氮化铝多孔陶瓷；

2.如权利要求1所述的AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，所述粘合剂选自聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、糊精、石蜡的一种或多种。

3.如权利要求1所述的AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，所述造孔剂选自淀粉、碳粉、草酸铵的一种或多种。

4.如权利要求1所述的AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，在S2中，加入质量比分别为0.5-3%的聚乙烯醇、1.5%-3%的十六烷基三甲基溴化铵以及3-20%的淀粉。

5.如权利要求1所述的AlNMg复合材料的制备方法，其特征在于，在S5中，控制镁合金金属液温度为680-750℃，浸渗压力为0.1-0.3MPa。

6.一种AlNMg复合材料，其特征在于，所述AlNMg复合材料由权利要求1-5任一所述的制备方法制备得到，AlNMg复合材料的抗弯强度不低于300MPa。