CN116283305A - 一种氮化铝氮化硼复合陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化铝氮化硼复合陶瓷及其制备方法，包括如下制备步骤：步骤S10，将氮化铝粉末、氮化硼粉末、氧化钙粉末和氧化钇粉末混合，得到的混合粉末装入球磨罐中，同时加入磨球和溶剂进行球磨，形成粉末浆料；步骤S20，将所述粉末浆料进行真空干燥，形成复合粉末；步骤S30，将所述复合粉末在保护气氛下进行热压烧结。该制备方法可以有效去除了产品杂质，显著降低了氧含量，净化了氮化铝晶界，制得的氮化铝氮化硼复合陶瓷拥有优异的导热性能，可以广泛运用于大功率LED器件和5G通讯等复杂形状的对导热性能要求高的散热器件领域。
Description
技术领域
本发明涉及高导热功能陶瓷材料技术领域，尤其是一种氮化铝氮化硼复合陶瓷及其制备方法。
背景技术
将适量的六方氮化硼(h-BN)引入氮化铝陶瓷(AlN)基体，形成的氮化铝氮化硼复合陶瓷(AlN-BN)，具有优异的可加工性能，实现了可通过车铣刨磨钻等常规机械加工技术而形成复杂形状的陶瓷制品，这大大降低了陶瓷材料的加工成本，扩大了陶瓷零件的应用范围，在集成电路、半导体器件和热弯玻璃模具等领域有着广泛应用前景。
氮化铝陶瓷具有优异的导热性能，理论热导率达到320W/(m·K)，现有商用氮化铝陶瓷的热导率可达到180W/(m·K)以上，但AlN-BN复合陶瓷，由于六方氮化硼不可避免存在一定量的杂质，这两方面导致现有氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率仅为80～90W/(m·K)，还无法达到高能性能导热材料的指标要求。
专利申请CN101734917A公开了一种氮化硼基陶瓷复合材料的制备方法，其原料为主要为碳化硼，同时添加硅粉和其它稀释剂粉，而氮化铝作为稀释剂粉类型中的一种，制备出以氮化硼为基体的陶瓷材料，涉及化学反应过程，将碳化硼转化为氮化硼，该材料的性能主要为抗弯强度，主要应用于导电蒸发舟领域，但是其导热性能一般，无法应用于大功率LED器件和5G通讯等复杂形状的对导热性能要求高的散热器件领域。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的氮化铝氮化硼复合陶瓷热导率仅为80～90W/(m·K)，无法达到高能性能导热材料的指标要求问题，提供一种氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，通过引入双相助剂，利用双相助剂在不同温度区间与B2O3形成的化合物具有强烈氧吸附特性和高温挥发，通过三步热压烧结技术，充分发挥化合物的氧吸附作用和高温挥发去除，制备出高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷。
发明人认为，现有氮化铝氮化硼复合陶瓷存在问题有：(1)现有的氮化铝氮化硼复合陶瓷中，可加工性能好，但热导率不足，无法满足如大功率LED器件和5G通讯等对导热性能要求高的领域。(2)现有技术通常采用氧化钇助剂(Y2O3)以提高氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率，但效果有限，虽然通过提高烧结温度和超长时间保温，可达到较高热导率，但这导致复合陶瓷的晶粒粗大，力学性能明显下降。(3)六方氮化硼中不可避免含有B2O3杂质，使得氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量无法有效降低，最终导致氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率较低。
基于上述考虑，发明人提出以下思路：
(1)采用适量的氧化钙和氧化钇作为双相助剂，在高温下，双相助剂可与氮化硼表面的B2O3形成CaB2O4和CaYBO4化合物，利用这两种化合物对氮化铝表面Al2O3的吸附氧特性，可显著减少氮化铝晶粒的氧含量，同时去除B2O3杂质，获得高的热导率。
(2)采用热压三步烧结方法，首先分别在1550℃～1600℃和1700℃～1780℃两个温度区间进行保温处理，可依次充分形成CaB2O4化合物和CaYBO4化合物，确保最大限度发挥双相助剂对氧的吸附作用；最后在1850℃～1900℃进行保温，一方面达到复合陶瓷的致密化，另一方面，CaB2O4化合物和CaYBO4化合物因高温挥发而减少，净化材料晶界，使得热导率显著提高。
本发明制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷具有高导热的优势，该复合陶瓷包含质量含量为70-80％的氮化铝和20-30％的氮化硼，并引入适量的CaO和Y2O3作为双相助剂；利用双相助剂在不同温度区间与B2O3形成的CaB2O4和CaYBO4化合物，其具有的强烈氧吸附特性和高温挥发。
本发明中，通过三步热压烧结技术，第一步和第二步烧结，可充分地依次形成CaB2O4化合物和CaYBO4化合物，最大限度发挥双相助剂对氧的吸附作用；制备出高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷；第三步实现氮化铝氮化硼复合陶瓷的致密化，同时CaB2O4化合物和CaYBO4化合物进行高温挥发，净化材料晶界，使得热导率显著提高。因此，采用双相助剂结合三步热压烧结方法，可制备出高导热的氮化铝氮化硼复合陶瓷。
具体方案如下：
一种氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
步骤S10，将氮化铝粉末、氮化硼粉末、氧化钙粉末和氧化钇粉末混合，得到的混合粉末装入球磨罐中，同时加入磨球和溶剂进行球磨，形成粉末浆料；
步骤S20，将所述粉末浆料进行真空干燥，形成复合粉末；
步骤S30，将所述复合粉末在保护气氛下进行热压烧结，形成氮化铝氮化硼复合陶瓷，其中，所述热压烧结为三步热压烧结法，第一步为1550℃～1600℃，保温时间1～2小时，常压；第二步为1700℃～1780℃，保温时间1～3小时，常压；第三步为1850℃～1900℃，保温时间2～6小时，保温过程中施加压力为20MPa～30MPa，保温结束后直接卸掉压力。
进一步的，步骤S10中，所述混合粉末中，氮化铝的质量含量为70～80％，氮化硼的质量含量为20～30％，氧化钙和氧化钇双的合计重量为氮化铝和氮化硼总质量的1～6％。
进一步的，步骤S10中，采用氧化铝磨球和酒精进行球磨8～12小时形成粉末浆料，其中，磨球和酒精使用量分别为所述混合粉末总质量的6～8倍和1.5～2.0倍。
进一步的，步骤S20中，所述真空干燥的温度为60℃～80℃，干燥时间为5～12小时。
进一步的，步骤S30中，所述热压烧结的升温速率为：室温至第一步烧结的升温速率为10℃/分钟，第一步至第二步的升温速率为5℃/分钟，第二步至第三步的升温速率为3℃/分钟；整个过程中升温、保温和降温过程中均在氮气气氛下进行。
本发明还保护所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法制备得到的述氮化铝氮化硼复合陶瓷，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷以氮化铝为主相，六方氮化硼为次相，同时含有含量小于等于1wt％的CaYBO4化合物。
进一步的，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量小于等于4wt％，优选地，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量1.0-2.5wt％。
进一步的，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷中，氮化铝晶粒周边均匀分布层状氮化硼，氮化铝晶界处存在残留部分由氧化钙和氧化钇形成的化合物。
进一步的，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷中，氧化钙和氧化钇两者的质量比值为0.3～1.0；所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率大于等于100W/(m·K)，优选为125～145W/(m·K)。
本发明还保护所述氮化铝氮化硼复合陶瓷在绝缘材料、散热器件领域的应用。
有益效果：
本发明提出一种氮化铝氮化硼复合陶瓷及其制备方法，以氮化铝和氮化硼为原料，添加适量的氧化钙和氧化钇作为双相助剂，通过湿磨、干燥和三步热压烧结制备出高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷，利用双相助剂与氮化硼表面的B2O3杂质形成CaB2O4和CaYBO4化合物，利用这两种化合物对氮化铝表面Al2O3的吸附氧特性，可显著减少氮化铝晶粒的氧含量，同时去除B2O3杂质；
进一步的，通过三步热压烧结方法，不仅可充分发挥双相助剂对氧的吸附作用，达到复合陶瓷的致密化，同时双相助剂形成的化合物可通过高温挥发而减少，净化材料晶界，使得热导率显著提高，并达到复合陶瓷的致密化。
总之，所述的制备方法有效去除了B2O3杂质，显著降低了氧含量，净化了氮化铝晶界，所述的氮化铝氮化硼复合陶瓷拥有优异的导热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明实施例1制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷的XRD衍射谱；
图2是本发明实施例1制备的高导热氮化硼-氮化铝复合陶瓷的SEM微观图片。
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。
以下实施例1-3分别用不同原料配比制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷。
实施例1
称取将800克氮化铝粉末、200克六方氮化硼粉末、20克氧化钙和30克氧化钇末一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨8h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行三步热压烧结处理，分别在第一步在1550℃保温2小时，第二步在1760℃保温2小时，第三步在1880℃保温3小时保温，结束后随炉降温；第三步烧结时施加压力为20MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本实施例制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率达到143W/(m·K)，氧含量为2.19％。
图1为本实施例制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷的XRD衍射谱。图2为本实施例制备的高导热氮化硼-氮化铝复合陶瓷的SEM微观图片。从图1可知，高导热的氮化铝氮化硼复合陶瓷以氮化铝为主相，六方氮化硼为次相，同时含量微量的CaYBO4化合物，这表示大部分的双相助剂及其化合物均在烧结过程中挥发去除。从图2可知，氮化铝晶粒周边均匀分布层状氮化硼，氮化铝晶界处存在少量残留的由双相助剂形成的化合物。
需说明的是，本发明中采用激光法进行测试氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率，具体为：将氮化铝氮化硼复合陶瓷切割成尺寸为Ф12×2mm的热导率测试片，使用激光热导仪(LFA457,German)测定在室温下的热扩散系数后计算出热导率，每种热导率测试片数量为10片；采用氧氮分析仪(LECO,TC-436,USA)检测氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量。
实施例2
称取将750克氮化铝粉末、250克六方氮化硼粉末、15克氧化钙和20克氧化钇末一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨10h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行三步热压烧结处理，分别在第一步在1580℃保温2小时，第二步在1730℃保温2小时，第三步在1900℃保温2小时保温，结束后随炉降温；第三步烧结时施加压力为25MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本实施例制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率达到134W/(m·K)，氧含量为2.21％。
实施例3
称取将700克氮化铝粉末、300克六方氮化硼粉末、20克氧化钙和20克氧化钇末一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨8h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行三步热压烧结处理，分别在第一步在1600℃保温2小时，第二步在1780℃保温2小时，第三步在1850℃保温6小时保温，结束后随炉降温；第三步烧结时施加压力为20MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本实施例制备的高导热氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率达到126W/(m·K)，氧含量为2.18％。
对比例1
称取将800克氮化铝粉末和200克六方氮化硼粉末一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨8h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行三步热压烧结处理，分别在第一步在1550℃保温2小时，第二步在1760℃保温2小时，第三步在1880℃保温3小时保温，结束后随炉降温；第三步烧结时施加压力为20MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得未加双相助剂的氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本对比例制备的氮化铝/氮化硼复合陶瓷的热导率仅为91W/(m·K)，氧含量1.38％。该对比例由于不添加双相助剂，其制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量低，但是氧元素主要来源于氮化铝内部的晶格氧，这导致热导率大幅降低。
对比例2
称取将800克氮化铝粉末、200克六方氮化硼粉末和50克氧化钇一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨8h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行三步热压烧结处理，分别在第一步在1550℃保温2小时，第二步在1760℃保温2小时，第三步在1880℃保温3小时保温，结束后随炉降温；第三步烧结时施加压力为20MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得未加双相助剂的氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本对比例制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率仅为112W/(m·K)，氧含量为2.38％。该对比例为添加单相助剂，其制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量明显增加，表明由单相助剂形成的化合物对氧的吸附作用较弱，影响导热性能，导致热导率明显低于添加双相助剂的氮化铝氮化硼复合陶瓷。
对比例3
称取将800克氮化铝粉末、200克六方氮化硼粉末、20克氧化钙和30克氧化钇末一起放入尼龙球磨罐中，加入氧化铝磨球和酒精后密封，球磨8h，球磨结束后形成的混合粉末浆料，将置于干燥箱中进行80℃干燥6小时，获得复合陶瓷的混合粉末原料。随后将混合粉末原料进行一步热压烧结处理，即1880℃保温3小时保温，结束后随炉降温；烧结时施加压力为20MPa，保温结束后直接卸掉压力，上述烧结全过程均在氮气气氛下进行。烧结结束后获得氮化铝氮化硼复合陶瓷。
本对比例制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率仅为107W/(m·K)，氧含量2.81％。该对比例采用三步热压烧结方法，其制备的氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量较高，表明由双相助剂形成的化合物的挥发量较少，影响导热性能，导致热导率明显低于采用三步热压烧结的氮化铝氮化硼复合陶瓷。
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 (10)
1.一种氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S10，将氮化铝粉末、氮化硼粉末、氧化钙粉末和氧化钇粉末混合，得到的混合粉末装入球磨罐中，同时加入磨球和溶剂进行球磨，形成粉末浆料；
步骤S20，将所述粉末浆料进行真空干燥，形成复合粉末；
步骤S30，将所述复合粉末在保护气氛下进行热压烧结，形成氮化铝氮化硼复合陶瓷，其中，所述热压烧结为三步热压烧结法，第一步为1550℃～1600℃，保温时间1～2小时，常压；第二步为1700℃～1780℃，保温时间1～3小时，常压；第三步为1850℃～1900℃，保温时间2～6小时，保温过程中施加压力为20MPa～30MPa，保温结束后直接卸掉压力。
2.根据权利要求1所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S10中，所述混合粉末中，氮化铝的质量含量为70～80％，氮化硼的质量含量为20～30％，氧化钙和氧化钇双的合计重量为氮化铝和氮化硼总质量的1～6％。
3.根据权利要求1或2所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S10中，采用氧化铝磨球和酒精进行球磨8～12小时形成粉末浆料，其中，磨球和酒精使用量分别为所述混合粉末总质量的6～8倍和1.5～2.0倍。
4.根据权利要求3所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S20中，所述真空干燥的温度为60℃～80℃，干燥时间为5～12小时。
5.根据权利要求1所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S30中，所述热压烧结的升温速率为：室温至第一步烧结的升温速率为10℃/分钟，第一步至第二步的升温速率为5℃/分钟，第二步至第三步的升温速率为3℃/分钟；整个过程中升温、保温和降温过程中均在氮气气氛下进行。
6.权利要求1-5任一项所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的制备方法制备得到的述氮化铝氮化硼复合陶瓷，其特征在于：所述氮化铝氮化硼复合陶瓷以氮化铝为主相，六方氮化硼为次相，同时含有含量小于等于1wt％的CaYBO4化合物。
7.根据权利要求6所述氮化铝氮化硼复合陶瓷，其特征在于：所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量小于等于4wt％，优选地，所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的氧含量1.0-2.5wt％。
8.根据权利要求6或7所述氮化铝氮化硼复合陶瓷，其特征在于：所述氮化铝氮化硼复合陶瓷中，氮化铝晶粒周边均匀分布层状氮化硼，氮化铝晶界处存在残留部分由氧化钙和氧化钇形成的化合物。
9.根据权利要求6或7所述氮化铝氮化硼复合陶瓷，其特征在于：所述氮化铝氮化硼复合陶瓷中，氧化钙和氧化钇两者的质量比值为0.3～1.0；所述氮化铝氮化硼复合陶瓷的热导率大于等于100W/(m·K)，优选为125～145W/(m·K)。
10.权利要求6-9任一项所述氮化铝氮化硼复合陶瓷在绝缘材料、散热器件领域的应用。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0308873A2 (en) * | 1987-09-22 | 1989-03-29 | Nippon Steel Corporation | Ceramic composite and process for preparation thereof |
| JPH046162A (ja) * | 1990-04-25 | 1992-01-10 | Nippon Steel Corp | ＡｌＮ―ＢＮ系複合焼結体およびその製造方法 |
| CN1058950A (zh) * | 1990-08-15 | 1992-02-26 | 陶氏化学公司 | 一种自增强氮化硅陶瓷体及其制备方法 |
| JPH06227868A (ja) * | 1993-02-01 | 1994-08-16 | Sumitomo Kinzoku Ceramics:Kk | グリーンシート成形用窒化アルミニウム粉末及びその製造方法 |
| CN1203899A (zh) * | 1998-07-08 | 1999-01-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 高热导氮化铝陶瓷的制备方法 |
| JPH11157936A (ja) * | 1997-11-26 | 1999-06-15 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 窒化アルミニウム−窒化ホウ素複合セラミックス及びその製造方法 |
| US20140349117A1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-11-27 | Surmet Corporation | Wear-Resistant, High Durability Industrial Ceramic Cutting Edges and Tools made from Sintered Polycrystalline Composites Based on Aluminum Nitride |
| CN104628392A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-20 | 南京工业大学 | 一种致密氮化铝-氮化硼复合材料的制备方法 |
| CN104973865A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-14 | 北京科技大学 | 一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法 |
| CN112521158A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 南京航空航天大学 | 一种仿骨头等级孔陶瓷基光热储存材料及制备方法 |
| CN114874019A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-08-09 | 厦门理工学院 | 一种立方氮化硼相变增强的氮化铝/氮化硼复合陶瓷及其制备方法 |
-
2022
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0308873A2 (en) * | 1987-09-22 | 1989-03-29 | Nippon Steel Corporation | Ceramic composite and process for preparation thereof |
| JPH046162A (ja) * | 1990-04-25 | 1992-01-10 | Nippon Steel Corp | ＡｌＮ―ＢＮ系複合焼結体およびその製造方法 |
| CN1058950A (zh) * | 1990-08-15 | 1992-02-26 | 陶氏化学公司 | 一种自增强氮化硅陶瓷体及其制备方法 |
| JPH06227868A (ja) * | 1993-02-01 | 1994-08-16 | Sumitomo Kinzoku Ceramics:Kk | グリーンシート成形用窒化アルミニウム粉末及びその製造方法 |
| JPH11157936A (ja) * | 1997-11-26 | 1999-06-15 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 窒化アルミニウム−窒化ホウ素複合セラミックス及びその製造方法 |
| CN1203899A (zh) * | 1998-07-08 | 1999-01-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 高热导氮化铝陶瓷的制备方法 |
| US20140349117A1 (en) * | 2013-05-27 | 2014-11-27 | Surmet Corporation | Wear-Resistant, High Durability Industrial Ceramic Cutting Edges and Tools made from Sintered Polycrystalline Composites Based on Aluminum Nitride |
| CN104628392A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-20 | 南京工业大学 | 一种致密氮化铝-氮化硼复合材料的制备方法 |
| CN104973865A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-14 | 北京科技大学 | 一种高导热氮化铝陶瓷的制备方法 |
| CN112521158A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-19 | 南京航空航天大学 | 一种仿骨头等级孔陶瓷基光热储存材料及制备方法 |
| CN114874019A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-08-09 | 厦门理工学院 | 一种立方氮化硼相变增强的氮化铝/氮化硼复合陶瓷及其制备方法 |
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