CN112939608A - 一种白色氮化铝陶瓷及其热压烧结方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种白色氮化铝陶瓷及其热压烧结方法和用途，包括将氮化铝粉末、氮化硼粉末和溶剂混合，获得混合浆料，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～10％；将所述混合浆料进行干燥，之后进行热压烧结，所述热压烧结采用石墨模具，热压烧结温度为1826℃～1930℃，保温时间为3h～10h，加载压力为20MPa～25MPa，保温结束后卸掉压力，降温获得白色氮化铝陶瓷，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。本发明可解决氮化铝陶瓷热压烧结技术中存在的产品颜色发黑问题，获得致密度高，颜色为白色的氮化铝陶瓷制品，同时可避免使用价格昂贵的氮化硼坩埚，而且烧结时间短，可大大降低烧结制备成本。

Description

一种白色氮化铝陶瓷及其热压烧结方法和用途

技术领域

本发明涉及氮化铝陶瓷制备技术，尤其是一种白色氮化铝陶瓷及其热压烧结方法和用途。

背景技术

氮化铝陶瓷具有高导热性能，高绝缘性能，良好力学性能，耐等离子体侵蚀以及与半导体材料相近的热膨胀系数等优异性质，是半导体芯片封装、精密电子仪器零部件和消费电子光学器件等的关键材料。氮化铝陶瓷通常为象牙白或灰白色，当存在杂质或制品致密度不高时，会呈现为黑白或深灰色。氮化铝生产厂家和氮化铝采购企业往往通过会氮化铝表面颜色来判断氮化铝制品性能。

现有的氮化铝陶瓷通常采用常压烧结，该烧结工艺下，需将氮化铝坯体置于密封的氮化硼坩埚内，这可防止由于炉体石墨发热产生的碳气氛与疏松的氮化铝坯体反应而导致氮化铝坯体无法顺利进行致密化的现象。但是氮化硼坩埚价格昂贵且易损耗，导致常压烧结氮化铝陶瓷的成本大大增加。另外，高性能的氮化硼坩埚主要依赖国外企业，氮化铝生产厂家在定制氮化硼坩埚的数量与规格等受到限制，从而影响到氮化铝陶瓷的生产。

为了避免使用昂贵的氮化硼坩埚，现有技术中采用热压烧结的方式。热压烧结通过将氮化铝粉末放入特定形状的石墨模具中，利用加载机械压力和温度的协同作用下，可获得高致密和性能优良的氮化铝陶瓷制品。该方法烧结时间缩短，烧结温度降低，同时，避免了使用昂贵的氮化硼坩埚，大大降低的烧结成本。

但是，由于热压烧结不可避免地使用石墨模具，导致氮化铝陶瓷制品出现灰黑或浅黑色区域等颜色不均现象，这虽然不会影响氧化铝的性能，但由于颜色问题，还是无法得到行业内的充分认可，这限制了采用热压烧结制备的氮化铝陶瓷的规模应用，如果解决热压烧结过程中氮化铝陶瓷颜色变黑的问题，则会大大扩展热压烧结制备氮化铝陶瓷制品的应用领域。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的热压烧结技术中，采用石墨模具带来的产品氮化铝陶瓷无法获得洁白外观的问题，提供一种白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法。该方法通过引入氮化硼粉末作为碳扩散的抑制剂，解决了热压烧结过程中，由于石墨模具产生的碳原子向氮化铝晶粒内部扩散，而导致氮化铝陶瓷出现局部黑色区域或黑色斑点的行业难题。

发明人尝试在氮化铝粉磨中混入少量氮化硼，来阻止石墨模具在热压环境中产生的碳原子扩散，以牺牲氮化硼优先与少数扩散的碳原子反应，从而避免该碳原子进入氮化铝晶粒内部，导致的氮化铝陶瓷颜色发黑和颜色不均匀问题的产生。

本发明的难点在于氮化硼的合适掺杂比例，以及热压工艺的控制。当混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重超过10％时，氮化硼含量过多，会导致材料的热导率和抗弯强度等性能显著下降，无法达到的使用性能要求。

当所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的6％～10％，采用较高的烧结温度和较短的烧结时间。氮化硼含量较高，样品致密化比较困难，较高烧结温度可避免烧结难以致密化问题，如热压烧结温度为1880℃～1930℃，同时，碳的扩散将更快速，缩短保温时间，可减少碳的扩散进度，更有利于形成白色氮化铝陶瓷，例如保温时间为3h～5h。

所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～6％，需要降低烧结温度和(或)延长烧结时间。由于氮化硼含量较低，则抑制碳扩散能力降低，降低烧结温度可使碳的扩散速度减慢，这有助于氮化硼抑制碳扩散以形成白色氮化铝陶瓷，例如烧结温度为1830℃～1880℃，同时需要相应延长时间，以到达样品的致密化。例如保温时间为6h～10h。

具体方案如下：

一种白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法，包括，将氮化铝粉末、氮化硼粉末和溶剂混合，获得混合浆料，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～10％；将所述混合浆料进行干燥，之后进行热压烧结，所述热压烧结采用石墨模具，热压烧结温度为1826℃～1930℃，保温时间为3h～10h，加载压力为20MPa～25MPa，保温结束后卸掉压力，降温获得白色氮化铝陶瓷，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。

进一步的，所述混合浆料采用球磨方式获得，将氮化铝粉末和氮化硼粉末一起放入尼龙球磨罐中，并加入氧化铝磨球和溶剂后，置于球磨机中进行湿磨混料5～10小时形成混合混合浆料；

任选的，所述氮化铝粉末的平均粒度为0.5-5.0μm，氮化硼粉末平均粒度为1-10μm；

任选的，所述氮化硼粉末中的氧化硼质量含量为0.5％～0.8％；

任选的，氧化铝磨球为氮化铝粉末和氮化硼粉末总质量的3～4倍；溶剂添加体积为尼龙球磨罐体积的1/2～2/3。

进一步的，所述混合浆料进行干燥，采用喷雾干燥，使混合浆料雾化后受热制成粉体；优选的，干燥前所述混合浆料的固含量为30～35wt％，采用喷雾干燥机，对混合浆料进行干燥造料处理，形成球形粉末；优选的，喷雾干燥的进料速度为60～80mL/min，雾化器转速为12000～18000rpm，出口温度60℃～70℃。

进一步的，所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的6％～10％，热压烧结温度为1880℃～1930℃，保温时间为3h～5h；

任选的，所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～6％，热压烧结温度为1826℃～1880℃，保温时间为5.5h～10h。

本发明还保护一种白色氮化铝陶瓷，采用所述白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法制备得到，所述白色氮化铝陶瓷中，氮化硼层均匀分布于氮化铝晶粒周边，氮化铝晶界与氮化硼层次交接处形成氧化硼和碳化硼的复合薄膜。

进一步的，所述复合薄膜的厚度为20～30nm复合薄膜。

进一步的，所述白色氮化铝陶瓷中氮化硼含量为3～10wt％，优选为3～9wt％。

进一步的，所述白色氮化铝陶瓷的致密度为98.5～99.5％，热导率为95～115W/(m·K)，抗弯强度为350～380MPa。

本发明还保护所述白色氮化铝陶瓷的用途，用于制作通讯器件、LED的散热基板、半导体器件的散热基板或绝缘导热装置中任意一种。

有益效果：本发明利用氮化硼解决氮化铝陶瓷热压烧结技术中存在的产品颜色发黑问题，获得致密度高，颜色为白色的氮化铝陶瓷制品，同时可避免使用价格昂贵的氮化硼坩埚，而且烧结时间短，可大大降低烧结制备成本。

进一步，本发明通过喷雾干燥过程，借助雾化过程使得氮化硼和氮化铝分散均匀，有利于获得白色均一外观，避免局部氮化硼缺失无法保护陶瓷形成白色外观。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

实施例1

将95克的氮化铝粉末、5克的氮化硼粉末、300克氧化铝磨球和500mL的酒精一起放入容量为1L的尼龙球磨罐中并密封后，在滚轴球磨机中球磨6小时，球磨结束后形成混合粉末浆料。通过搅拌挥发酒精或添加酒精的方式，将保持浆料的固含量浓度保持在30％～35％。利用闭式喷雾干燥机对浆料进行喷雾造料处理，进料速度为65mL/min，雾化器转速为13000rpm，出口温度65℃，喷雾造粒结束后形成球形混合粉末。将球形粉末进行热压烧结处理，烧结温度为1860℃，保温时间为7小时，加载压力为25MPa，保温结束后卸掉压力，随炉降温，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。温度降到室温后取出，获得白色的氮化铝陶瓷制品。

对产品的形貌进行SEM分析，发现氮化硼均匀分布于氮化铝晶粒周边，氮化铝晶界与氮化硼层次交接处形成氧化硼和碳化硼的复合薄膜，厚度为20～30nm。

本实施例制备的氮化铝陶瓷的整体为白色，致密度达到99.2％，热导率为112W/(m·K)，抗弯强度为372MPa。

实施例2

将92克的氮化铝粉末、8克的氮化硼粉末、300克氧化铝磨球和500mL的酒精一起放入容量为1L的尼龙球磨罐中并密封后，在滚轴球磨机中球磨7小时，球磨结束后形成混合粉末浆料。通过搅拌挥发酒精或添加酒精的方式，将保持浆料的固含量浓度保持在30％～35％。利用闭式喷雾干燥机对浆料进行喷雾造料处理，进料速度为65mL/min，雾化器转速为14000rpm，出口温度65℃，喷雾造粒结束后形成球形混合粉末。将球形粉末进行热压烧结处理，烧结温度为1920℃，保温时间为3小时，加载压力为25MPa，保温结束后卸掉压力，随炉降温，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。温度降到室温后取出，获得白色的氮化铝陶瓷制品。

本实施例制备的氮化铝陶瓷的整体为白色，致密度达到98.7％，热导率为98W/(m·K)，抗弯强度为358MPa。

实施例3

将97克的氮化铝粉末、3克的氮化硼粉末、300克氧化铝磨球和500mL的酒精一起放入容量为1L的尼龙球磨罐中并密封后，在滚轴球磨机中球磨7小时，球磨结束后形成混合粉末浆料。通过搅拌挥发酒精或添加酒精的方式，将保持浆料的固含量浓度保持在30％～35％。利用闭式喷雾干燥机对浆料进行喷雾造料处理，进料速度为65mL/min，雾化器转速为14000rpm，出口温度65℃，喷雾造粒结束后形成球形混合粉末。将球形粉末进行热压烧结处理，烧结温度为1826℃，保温时间为9小时，加载压力为25MPa，保温结束后卸掉压力，随炉降温，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。温度降到室温后取出，获得白色的氮化铝陶瓷制品。

本实施例制备的氮化铝陶瓷的整体为白色，致密度达到99.0％，热导率为108W/(m·K)，抗弯强度为366MPa。

对比例1

将80克氮化铝粉末、20克氮化硼粉末一起放入尼龙球磨罐中，加入酒精和氧化铝磨球并密封好后进行球磨10小时，酒精使用量不超过尼龙球磨罐体积的2/3，氧化铝磨球使用量为混合粉末总质量的2倍，球磨结束后形成浆料。将浆料置于60℃的真空干燥箱中抽真空干燥8小时，获得氮化铝氮化硼复合粉末。将复合粉末进行热压烧结，烧结温度为1820℃，保温5小时，烧结压力在开始升温的10分钟内加至20MPa，保温结束并使温度降至1200℃时卸掉压力，烧结全程在氮气气氛下进行，氮气压力保持在1.2KPa～1.6KPa，烧结结束后获得陶瓷材料1，产品为颜色不均匀，局部为灰黑或浅黑色，热导率为97W/(m·K)，抗弯强度293Mpa。

本对比例中，由于没有进行喷雾造料处理，氮化硼和氮化铝无法混合均匀，可能使得产品颜色不均匀，局部为灰黑或浅黑色。同时，氮化硼的添加过高，会导致热导率和抗弯强度偏低。

对比例2

将95克的氮化铝粉末、5克的氮化硼粉末、300克氧化铝磨球和500mL的酒精一起放入容量为1L的尼龙球磨罐中并密封后，在滚轴球磨机中球磨6小时，球磨结束后形成混合粉末浆料。通过搅拌挥发酒精或添加酒精的方式，将保持浆料的固含量浓度保持在30％～35％。利用闭式喷雾干燥机对浆料进行喷雾造料处理，进料速度为65mL/min，雾化器转速为13000rpm，出口温度65℃，喷雾造粒结束后形成球形混合粉末。将球形粉末进行热压烧结处理，烧结温度为1800℃，保温时间为7小时，加载压力为25MPa，保温结束后卸掉压力，随炉降温，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。温度降到室温后取出，获得陶瓷材料2，发现样品致密度只有89.2％，颜色为灰色，热导率仅为56W/(m·K)，抗弯强度为98MPa。

对比例3

将80克的氮化铝粉末、20克的氮化硼粉末、300克氧化铝磨球和500mL的酒精一起放入容量为1L的尼龙球磨罐中并密封后，在滚轴球磨机中球磨6小时，球磨结束后形成混合粉末浆料。通过搅拌挥发酒精或添加酒精的方式，将保持浆料的固含量浓度保持在30％～35％。利用闭式喷雾干燥机对浆料进行喷雾造料处理，进料速度为65mL/min，雾化器转速为13000rpm，出口温度65℃，喷雾造粒结束后形成球形混合粉末。将球形粉末进行热压烧结处理，烧结温度为1860℃，保温时间为7小时，加载压力为25MPa，保温结束后卸掉压力，随炉降温，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。温度降到室温后取出，获得陶瓷材料3，发现颜色为白色，热导率为98W/(m·K)，抗弯强度295Mpa。

本对比例中，采用了喷雾造料，氮化硼与氮化铝混合均匀，因此产品颜色均一，为白色。但氮化硼含量偏高，导致抗弯强度较低。

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 (9)

1.一种白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法，其特征在于：包括，将氮化铝粉末、氮化硼粉末和溶剂混合，获得混合浆料，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～10％；将所述混合浆料进行干燥，之后进行热压烧结，所述热压烧结采用石墨模具，热压烧结温度为1826℃～1930℃，保温时间为3h～10h，加载压力为20MPa～25MPa，保温结束后卸掉压力，降温获得白色氮化铝陶瓷，上述烧结全程在压力的1.2KPa～1.6KPa的氮气气氛下进行。

2.根据权利要求1所述白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法，其特征在于：所述混合浆料采用球磨方式获得，将氮化铝粉末和氮化硼粉末一起放入尼龙球磨罐中，并加入氧化铝磨球和溶剂后，置于球磨机中进行湿磨混料5～10小时形成混合混合浆料；

任选的，所述氮化铝粉末的平均粒度为0.5-5.0μm，氮化硼粉末平均粒度为1-10μm；

任选的，所述氮化硼粉末中的氧化硼质量含量为0.5％～0.8％；

任选的，氧化铝磨球为氮化铝粉末和氮化硼粉末总质量的3～4倍；溶剂添加体积为尼龙球磨罐体积的1/2～2/3。

3.根据权利要求1所述白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法，其特征在于：所述混合浆料进行干燥，采用喷雾干燥，使混合浆料雾化后受热制成粉体；优选的，干燥前所述混合浆料的固含量为30～35wt％，采用喷雾干燥机，对混合浆料进行干燥造料处理，形成球形粉末；优选的，喷雾干燥的进料速度为60～80mL/min，雾化器转速为12000～18000rpm，出口温度60℃～70℃。

4.根据权利要求1所述白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法，其特征在于：所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的6％～10％，热压烧结温度为1880℃～1930℃，保温时间为3h～5h；

任选的，所述混合浆料中，所述氮化硼粉末占氮化铝粉末和氮化硼粉末总重的3％～6％，热压烧结温度为1826℃～1880℃，保温时间为5.5h～10h。

5.一种白色氮化铝陶瓷，采用权利要求1-4任一项所述白色氮化铝陶瓷的热压烧结方法制备得到，其特征在于：所述白色氮化铝陶瓷中，氮化硼层均匀分布于氮化铝晶粒周边，氮化铝晶界与氮化硼层次交接处形成氧化硼和碳化硼的复合薄膜。

6.根据权利要求5所述白色氮化铝陶瓷，其特征在于：所述复合薄膜的厚度为20～30nm复合薄膜。

7.根据权利要求5所述白色氮化铝陶瓷，其特征在于：所述白色氮化铝陶瓷中氮化硼含量为3～10wt％，优选为3～9wt％。

8.根据权利要求5所述白色氮化铝陶瓷，其特征在于：所述白色氮化铝陶瓷的致密度为98.5～99.5％，热导率为95～115W/(m·K)，抗弯强度为350～380MPa。

9.权利要求5-8任一项所述白色氮化铝陶瓷的用途，其特征在于：用于制作通讯器件、LED的散热基板、半导体器件的散热基板或绝缘导热装置中任意一种。