CN115010499A - 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法 - Google Patents

一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115010499A
CN115010499A CN202210794582.XA CN202210794582A CN115010499A CN 115010499 A CN115010499 A CN 115010499A CN 202210794582 A CN202210794582 A CN 202210794582A CN 115010499 A CN115010499 A CN 115010499A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
aluminum nitride
rare earth
furnace
scandium oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210794582.XA
Other languages
English (en)
Inventor
伍尚华
陈培
宗潇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN202210794582.XA priority Critical patent/CN115010499A/zh
Publication of CN115010499A publication Critical patent/CN115010499A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/581—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/444—Halide containing anions, e.g. bromide, iodate, chlorite
    • C04B2235/445—Fluoride containing anions, e.g. fluosilicate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6565—Cooling rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Abstract

本发明公开了一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法，属于氮化铝陶瓷制备技术领域。其由以下重量份组分用无压烧结法制备得到：氮化铝90‑100份，稀土氟化物0.01‑10份，氧化钪0.01‑10份。本发明以稀土氟化物与氧化钪双掺作为烧结助剂，稀土氟化物的加入能够在较低温度形成液相，促进坯体致密化并去除氧杂质，同时其第二相在还原作用下可减少甚至去除从而进一步净化晶界，提高热导率。氧化钪的加入能够通过细化晶粒并引入更多的穿晶断裂的方式以提高产品的抗弯强度。与真空热压烧结相比，本发明采用更为省时省力的无压烧结法制备出高性能氮化铝陶瓷，其性能接近部分热压烧结氮化铝陶瓷。

Description

一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的 方法
技术领域
本发明涉及氮化铝陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法。
背景技术
近年来，随着电子技术的迅猛发展，电子元器件愈发趋向于高功率化、高集成化，体积也不断地缩小，这给电子元器件封装材料的综合性能提出了很大的挑战。氮化铝陶瓷由于其热导率高、力学性能优越、低介电性、无毒、耐腐蚀、良好的化学稳定性以及与硅的热膨胀系数相匹配等优点而在新能源、LED、半导体器件、交通运输等领域具有广泛的应用前景。
氮化铝陶瓷是一种纤维矿型共价键化合物，所以难以致密且烧结温度需要高于1950℃。为了在更低温度下烧结出高致密、高热导的氮化铝陶瓷，通常会引入稀土或者碱土金属氧化物和氟化物作为烧结助剂。烧结助剂通过与氮化铝陶瓷表层的氧化铝反应形成液相，从而促进致密化、降低烧结温度和净化晶界。因此，如何选择烧结助剂组合，以降低烧结温度、提高热导率、获得高性能氮化铝陶瓷基板是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用稀土氟化物与氧化钪双掺作为烧结助剂制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法。
具体的，本发明提出以下技术方案：
一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备的高性能氮化铝陶瓷基板，由以下重量份组分组成：氮化铝90-100份，稀土氟化物0.01-10份，氧化钪0.01-10份。
其进一步的技术方案为，所述稀土氟化物为氟化钇、氟化钙、氟化镧中的一种或几种。
其进一步的技术方案为，所述稀土氧化物为氧化钪。
具体的，氮化铝选用高纯度氮化铝粉体，氧杂质含量≤0.87％，粒径优选0.4-1.5μm，呈单峰分布的粉体。
具体的，稀土氟化物优选氟化钇，粒径优选1-20μm。
具体的，稀土氧化物优选氧化钪，粒径优选1-20μm。
本发明还提供所述的稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法，包括以下步骤：
S1、取氮化铝90-100份，稀土氟化物0.01-10份，氧化钪0.01-10份，将原料粒径研磨至0.3-1.5微米，混合均匀，得到混合粉体；
S2、将混合粉体装入模具中，干压压实；
S3、将干压得到的坯体放入冷等静压机进行冷等静压处理；
S4、将过冷等得到的坯体放置于BN坩埚中进行无压烧结，烧结完成即得到高性能氮化铝陶瓷基板。
具体的，步骤S2中，将混合粉体装入模具中，采用液压机1-15MPa压力将粉体压实。
具体的，步骤S3中，将坯体放入冷等静压机中，采用100-300MPa压力过冷等。
具体的，本发明无压烧结法用的烧结炉为气氛烧结炉。
其进一步的技术方案为，步骤S4中，抽真空热压烧结操作为，当炉体内真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，重复抽真空-通氮气操作，至炉内压力在0.01Pa以下时开始加热；在炉内温度升至300-1200℃时，将炉内通满氮气，继续升温至1800-2000℃，最后冷却降压。
其进一步的技术方案为，加热时，当温度从100-300℃升至600-900℃时，通入氮气至炉内压强为一个大气压，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa。
其进一步的技术方案为，当温度升至1500-1700℃时，保温1-3h；当温度从1500-1700℃升至1800-2000℃时，保温2-8h，然后冷却。
其进一步的技术方案为，冷却降温时，当温度从1800-2000℃降至1600-1900℃时，保温1-3h；当温度从1800-2000℃降至1100-1300℃，降温速率为2-15℃/min，随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结好的高性能氮化铝陶瓷基板。
其进一步的技术方案为，步骤S1中，研磨的具体操作为，向原料中加入无水乙醇进行行星球磨，研磨介质为氧化锆球，其中，氧化锆球：无水乙醇：原料的重量比为2-5:1-5:1，球磨时间为4-12h；球磨转速为250-500r/min。
其进一步的技术方案为，研磨所用的氧化锆球为三种不同球径的氧化锆球，分别为3-5mm、7-9mm、10-15mm；三种氧化锆球的质量比为1-4：1-2：1。
其进一步的技术方案为，研磨时的球料质量比优选3-6:1-3。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的稀土氟化物与氧化钪作为烧结助剂，稀土氟化物的加入能够在较低温度形成液相，促进坯体致密化并去除氧杂质，同时其第二相在还原作用下可减少甚至去除从而进一步净化晶界，提高热导率。氧化钪由于以往价格昂贵，鲜有人研究其加入氮化铝的作用，发明人发现氧化钪的加入能够通过细化晶粒并引入更多的穿晶断裂的方式以提高产品的抗弯强度。采用本方法制备的氮化铝陶瓷热导率可达172W·m-1·K-1，强度可达401MPa，采用煮水法按照阿基米德原理计算出致密度可达到99.83％。
与真空热压烧结相比，本发明中采用更为省时省力的无压烧结法制备出高性能氮化铝陶瓷，其性能接近部分热压烧结氮化铝陶瓷。
具体实施方式
下面将对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:1:2的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为132W·m-1·K-1、强度490MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.17％。
实施例2
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:1.5:1.5的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为141W·m-1·K-1、强度475MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.30％。
实施例3
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:2:1的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为147W·m-1·K-1、强度444MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.29％。
实施例4
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:2.5:0.5的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为172W·m-1·K-1、强度401MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.83％。
实施例5
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:2.75:0.25的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为178W·m-1·K-1、强度336MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.21％。
实施例6
本实施例提供一种稀土氟化物与氧化钪双掺的高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比95:0.25：2.75的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为140W·m-1·K-1、强度339MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.01％。
对比例1
本对比例提供一种高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氧化钪粉体，按照质量比97:3的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为102W·m-1·K-1、强度369MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.54％。
对比例2
本对比例提供一种高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇粉体，按照质量比97:3的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的三种氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。将研磨好的粉体装入模具中，采用液压机2MPa将粉体压实。将干压后的坯体采用200MPa的压力冷等静压处理后，放入BN坩埚中，并将坩埚放入气氛炉中。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa以下时开始加热。以升温速率为10℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以10℃/min的升温速率升温至1650℃，随后保温1h。温度从1650℃升至1850℃，升温速率为5℃/min，当温度升至1850℃时，保温4h。保温时间结束后，温度从1850℃降至1750℃，降温速率为5℃/min，保温1h。温度从1750℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导率为193.4W·m-1·K-1、强度317MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度98.85％。
对比例3
本对比例提供一种高性能氮化铝陶瓷基板的配方及制备方法：
将氮化铝、氟化钇、氧化钪粉体，按照质量比97：2.75：0.25的配比称量后放入盛有无水乙醇的聚四氟乙烯球磨罐中并进行行星球磨，加入氧化锆球作为研磨球，氧化锆球采用球径分别为：3-5mm、7-9mm、10-15mm的氧化锆球，三种不同规格的氧化锆球质量比为2：1：1。其中球：粉体：无水乙醇的质量比＝2:1:3，球磨时间为8h。
将研磨好的粉体装入石墨模具中，采用液压机10MPa将粉体压实。将石墨模具放置于炉腔内，将炉体压力由0MPa升高到0.5MPa，固定石墨模具。
随后开始抽真空，当真空度达到100Pa时，向炉内通入高纯氮气至0.1MPa，随后继续进行抽真空操作，重复上述步骤2-5次。再次将炉内抽至0.01Pa时开始加热。以升温速率为15℃/min将从室温温度升至800℃，并将炉内充满氮气，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa，继续以15℃/min的升温速率升温至1200℃。
当温度升至1200℃时，保温1h；温度从1200℃升至1800℃，升温速率为8℃/min，并炉体压力由0.5MPa增加至25-35MPa，炉体压力通过炉体上方液压缸来进行调节，随后保温2h。
保温时间结束后，温度从1800℃降至1200℃，降温速率为10℃/min。同时，将炉体压力从25-35MPa降至0MPa，降压时间为30min。随后随炉冷却到40-60℃以下，取出模具，获得烧结后的陶瓷基板。
对样品进行性能表征：热导177W·m-1·K-1、强度343MPa、采用煮水法，按照阿基米德原理计算出致密度99.85％。
对实施例1-5、对比例1-3制备时的相关参数进行测量，以获得样品致密度的计算参数，具体见表1。
表1：
Figure BDA0003731603400000101
以上数据可知，实施例1-6和对比例1-3中，在烧结助剂添加量相同的情况下，随着氧化钪加入的增加即可显著提高产品的抗弯强度和致密度，当氧化钪添加量超出2.75wt％时，对该性能的提高并不显著，且由于氧化钪价格昂贵，因此，氧化钪的添加量在0.5～2wt％时更优。
此外，根据比较实施例5和对比例3的数据可知，在采用相同配方的基础上，本发明采用无压烧结的方法得到的陶瓷基板，其性能与真空热压烧结法得到的陶瓷性能接近，而无压烧结较真空热压烧结相比，更为省时省力，成本更低。
综上，本发明提供的稀土氟化物与氧化钪双掺制备的高性能氮化铝陶瓷基板，通过搭配稀土氧化物与氧化钪作为烧结助剂，得到的陶瓷基板性能大大提高。进一步调整烧结助剂的种类与添加比例，可以使得到的陶瓷基板热导率达172W·m-1·K-1，强度达401MPa，采用煮水法按照阿基米德原理计算出致密度达到99.83％。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备的高性能氮化铝陶瓷基板，其特征在于，由以下重量份组分制备得到：氮化铝90-100份，稀土氟化物0.01-10份，氧化钪0.01-10份。
2.如权利要求1所述的稀土氟化物与氧化钪双掺制备的高性能氮化铝陶瓷基板，其特征在于，所述稀土氟化物为氟化钇、氟化钙、氟化镧中的一种或几种。
3.一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取氮化铝90-100份，稀土氟化物0.01-10份，氧化钪0.01-10份，将原料粒径研磨至0.3-1.5微米，混合均匀，得到混合粉体；
S2、将混合粉体装入模具中，干压压实；
S3、将干压得到的坯体经冷等静压处理；
S4、将经过冷等静压处理后的坯体放置于BN坩埚中进行无压烧结，烧结完成即得到高性能氮化铝陶瓷基板。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述稀土氟化物为氟化钇、氟化钙、氟化镧中的一种或几种。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，抽真空无压烧结操作为，当炉体内真空度达到100Pa时，向炉内通入氮气至0.1MPa，重复抽真空-通氮气操作，至炉内压力在0.01Pa以下时开始加热；在炉内温度升至300-1200℃时，将炉内通满氮气，继续升温至1800-2000℃，最后冷却降压。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，加热时，当温度从100-300℃升至600-900℃时，通入氮气至炉内压强为一个大气压，且保持流动氮气气氛，氮气流量压力控制在0.3-0.6MPa。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当温度升至1500-1700℃时，保温1-3h；当温度从1500-1700℃升至1800-2000℃时，保温2-8h，然后冷却。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，冷却降温时，当温度从1800-2000℃降至1600-1900℃时，保温1-3h；当温度从1800-2000℃降至1100-1300℃，降温速率为2-15℃/min，随后随炉冷却到40-60℃以下，取出坩埚，获得烧结好的高性能氮化铝陶瓷基板。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中，研磨的具体操作为，向原料中加入无水乙醇进行行星球磨，研磨介质为氧化锆球，其中，氧化锆球：无水乙醇：原料为2-5:1-5:1，球磨时间为4-12h。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，研磨所用的氧化锆球为三种不同球径的氧化锆球，分别为3-5mm、7-9mm、10-15mm；三种氧化锆球的质量比为1-4：1-2：1。
CN202210794582.XA 2022-07-05 2022-07-05 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法 Pending CN115010499A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210794582.XA CN115010499A (zh) 2022-07-05 2022-07-05 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210794582.XA CN115010499A (zh) 2022-07-05 2022-07-05 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115010499A true CN115010499A (zh) 2022-09-06

Family

ID=83078531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210794582.XA Pending CN115010499A (zh) 2022-07-05 2022-07-05 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115010499A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115974012A (zh) * 2022-12-30 2023-04-18 雅安百图高新材料股份有限公司 一种氮化铝粉体及其制备工艺

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719187A (en) * 1985-10-10 1988-01-12 Corning Glass Works Dense sintered bodies of nitride materials
CN102826853A (zh) * 2012-09-04 2012-12-19 福建华清电子材料科技有限公司 一种高强度氮化铝陶瓷基板及其制造方法
CN112159237A (zh) * 2020-09-28 2021-01-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高导热氮化硅陶瓷材料及其制备方法
CN113354418A (zh) * 2021-07-21 2021-09-07 广东工业大学 一种真空热压烧结法制备的高性能氮化铝陶瓷基板及制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719187A (en) * 1985-10-10 1988-01-12 Corning Glass Works Dense sintered bodies of nitride materials
CN102826853A (zh) * 2012-09-04 2012-12-19 福建华清电子材料科技有限公司 一种高强度氮化铝陶瓷基板及其制造方法
CN112159237A (zh) * 2020-09-28 2021-01-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种高导热氮化硅陶瓷材料及其制备方法
CN113354418A (zh) * 2021-07-21 2021-09-07 广东工业大学 一种真空热压烧结法制备的高性能氮化铝陶瓷基板及制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
汪暾等: "Dy2O3-CaF2 对AlN 陶瓷制备、结构及性能的影响", 《硅酸盐学报》, vol. 46, no. 6, 30 June 2018 (2018-06-30), pages 760 - 765 *
胡幼奕主编: "《2005年国际陶瓷工业发展论文集》", 中国建材工业出版社, pages: 73 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115974012A (zh) * 2022-12-30 2023-04-18 雅安百图高新材料股份有限公司 一种氮化铝粉体及其制备工艺

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101821218B1 (ko) 고밀도 육방정계 질화붕소 세라믹 재료의 제조방법
CN101570437B (zh) 一种连续式低温烧结高导热率AlN陶瓷的方法及其产品
CN107188567B (zh) 一种高热导率氮化铝陶瓷的制备方法
EP4269372A1 (en) High-thermal-conductivity silicon nitride ceramic insulating plate and preparation method therefor
CN112939607B (zh) 一种高热导率氮化铝陶瓷及其制备方法
CN113480319B (zh) 一种低介电常数碳化硅、高性能氮化硅陶瓷基板及其制备方法
CN105254306A (zh) 一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法
CN113943162B (zh) 一种α-SiAlON高熵透明陶瓷材料及其制备方法
CN101734923A (zh) 一种氮化铝多孔陶瓷及其制备方法
CN101948315A (zh) 一种高性能氮化铝陶瓷的低温烧结方法
CN111499387A (zh) 高强度氮化硅复合碳化硅陶瓷及其制备方法和应用
CN111320476A (zh) 金刚石-碳化硅复合材料及其制备方法、电子设备
CN113354418B (zh) 一种真空热压烧结法制备的高性能氮化铝陶瓷基板及制备方法
CN109251033A (zh) 一种微波合成Ti2AlC块体材料的方法
CN112811909A (zh) 一种热压烧结制备高强度高热导率氮化铝的方法
CN115010499A (zh) 一种稀土氟化物与氧化钪双掺制备高性能氮化铝陶瓷基板的方法
CN108863393A (zh) 一种高导热和高强度氮化铝陶瓷的制备方法
CN112028636A (zh) 一种高导热氮化铝/石墨烯复合陶瓷器件的制备方法
CN111848179B (zh) 一种可在超高温环境中使用的高强度氮化硼陶瓷的制备方法
Li et al. Effect of magnesium titanate content on microstructures, mechanical performances and dielectric properties of Si3N4-based composite ceramics
CN108863395B (zh) 一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法
JPH05238830A (ja) 窒化アルミニウム焼結体およびその製造方法
CN106542828A (zh) 一种低温烧结高热导率的氮化铝陶瓷及其制备方法
CN110937903B (zh) 一种高强度、高导热性的氮化硅陶瓷材料及其制备方法
CN103539457A (zh) 一种微电子封装用AlN陶瓷基板的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination