WO2017079877A1 - 一种高导热陶瓷材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高导热陶瓷材料，由氧化铝和氮化铝的混合粉体成型后烧结而成。该高导热陶瓷材料的制造方法，包括：将氧化铝和氮化铝的混合粉体成型；将成型素胚置于高温炉中，在保护气氛下保温预定时间；氧化铝和氮化铝的混合粉体由纳米氧化铝粉体和碳粉混合后碳化氧化而成。该高导热陶瓷材料具有高于30W/(m•K)的热导率。

Description

一种高导热陶瓷材料及其制造方法 技术领域
本发明涉及高导热陶瓷领域，具体的说是涉及一种高导热陶瓷材料及其制造方法。
背景技术
LED照明日益普及，LED灯具的光效也逐年提升。近年来，LED照明在室内照明、商用照明、路灯、景观照明等得到广泛应用。相比传统照明如白炽灯、日光灯等，LED照明具有光效高、寿命长、环保等优势。然而，由于各种原因，目前LED的光效离其理论值还有明显差距，导致其在点亮时有大量的电能转化成热能。如果这些大量的热量不能及时有效的散去，就会影响到LED灯具的寿命。基板材料对LED灯具散热具有重要影响。目前主流用的基板材料是铝基板。这种基板具有良好的热导率。然而与此同时，铝受热易膨胀，从而可能导致用于实现LED电连通的金线脱落，从而影响到LED灯具的寿命，特别是大功率的LED灯具。
为避免基板材料受热膨胀导致的金线脱落，人们在大功率LED中采用陶瓷基板如氧化铝、氮化铝等陶瓷。相对金属铝，陶瓷材料膨胀系数小。然而，氧化铝陶瓷的导热性能差，不利于LED芯片的散热，同样会严重影响LED灯具的寿命。而氮化铝陶瓷虽具有很高的热导率，然而其成本高昂，不适合大规模生产和应用，特别是目前LED产品以价格为导向的市场。因此，一种能够平衡导热较高、膨胀系数较小而成本低昂的基板材料是目前LED照明产品，特别是大功率产品所急需的。氧化铝和氮化铝的复合陶瓷材料具有良好的热导率。然而，制备这种复合材料需要高纯度的氧化铝和氮化铝粉体，特别是高纯氮化铝粉体，不仅价格昂贵，还需进口。
发明内容
本发明的目的是为了用一种较低成本的方式解决LED照明用基板材料膨胀系数大或热导率低的问题，提供一种成本合理而具有较好的热导率和较低的热膨胀系数的作为基板材料的高导热陶瓷材料及其制造方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高导热陶瓷材料，由氧化铝和氮化铝的混合粉体成型后烧结而成。
其中，所述的氧化铝粉体颗粒粒径为100nm-500nm，最好是100nm-500nm。
其中，所述的碳粉粉体颗粒粒径为50nm-200nm，最好是50nm-100nm。
其中，所述的氧化铝和碳粉混合粉体是通过将上述的氧化铝和碳粉按一定比例混合而成。在所述的混合粉体中碳粉的质量百分比为为4％-6％，最好是5％-6％。
其中，所述的混合粉体的碳化氧化是在流动的高纯氮气中，在1100℃-1500℃保温4-6小时后，得到含有余碳的氧化铝和氮化铝的混合粉体。
其中，所述的含有余碳的氧化铝和氮化铝的混合粉体在空气中加热至500℃-700℃并保温3-5小时，得到不含碳的氧化铝和氮化铝的混合粉体。
本发明的另一目的在于提供一种高导热陶瓷材料的制造方法，包括将氧化铝和氮化铝的混合粉体成型后的素胚置于高温炉中，在保护气氛下保温预定时间烧结而成，所述的氧化铝和氮化铝的混合粉体由纳米氧化铝粉体和碳粉混合后碳化氧化而成。
其中，将不含碳的氧化铝和氮化铝混合成型方式为干压成型、等静压成型、浇注成型中的一种。
其中，保护气氛下的所述保温温度为1000-1500℃。烧结完成后自然冷却。所述的保护气氛为氮气或惰性气体，最好是氮气。
其中，保护气氛下的所述保温温度为1000-1500℃，最好是1300-1500℃。
其中，保温的所述预定时间为4-20小时，最好是5-10小时。
本发明所述的方法简易，原料易得，工艺成本低。用该方法制备出的氧化铝-氮化铝复合陶瓷具有高于30W/(m·K)的热导率，高于纯氧化铝陶瓷。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。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
将粒径为100nm的氧化铝粉体与粒径为100nm的碳混合均匀，其中碳粉的质量百分比为4％。将所得到的混合粉体在流动氮气中在1200℃保温4小时，得含有余碳的氧化铝和氮化铝混合粉体。将此混合粉体在500℃的空气中保温5小时，得氧化铝和氮化铝的混合粉体。将此混合粉体干压成型，得素胚。将素胚至于氮气保护的高温炉中，在1200℃烧结6小时后，自然冷却，得最终的样品。经测，该样品得热导率为40W/(m·K)。
实施例2
将粒径为200nm的氧化铝粉体与粒径为100nm的碳混合均匀，其中碳粉的质量百分比为5％。将所得到的混合粉体在流动氮气中在1100℃保温6小时，得含有余碳的氧化铝和氮化铝混合粉体。将此混合粉体在550℃的空气中保温4小时，得氧化铝和氮化铝的混合粉体。将此混合粉体干压成型，得素胚。将素胚至于氮气保护的高温炉中，在1300℃烧结5小时后，自然冷却，得最终的样品。经测，该样品得热导率为42.3W/(m·K)。
实施例3
将粒径为300nm的氧化铝粉体与粒径为100nm的碳混合均匀，其中碳粉的质量百分比为6％。将所得到的混合粉体在流动氮气中在1300℃保温4小时，得含有余碳的氧化铝和氮化铝混合粉体。将此混合粉体在60℃的空气中保温4小时，得氧化铝和氮化铝的混合粉体。将此混合粉体等静压成型，得素胚。将素胚至于氮气保护的高温炉中，在1300℃烧结6小时后，自然冷却，得最终的样品。经测，该样品得热导率为45.1W/(m·K)。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种高导热陶瓷材料，其中，由氧化铝和氮化铝的混合粉体成型后烧结而成。
  2. 根据权利要求1所述的高导热陶瓷材料，其中，所述的氧化铝和氮化铝的混合粉体由纳米氧化铝粉体和碳粉混合后碳化氧化而成。
  3. 根据权利要求2所述的高导热陶瓷材料，其中，所述碳粉的质量百分比为4％-6％。
  4. 根据权利要求3所述的高导热陶瓷材料，其中，所述碳粉的质量百分比为5％-6％。
  5. 根据权利要求2所述的高导热陶瓷材料，其中，所述碳化氧化的条件包括在流动氮气中在1100℃-1500℃保温4-6小时，得到含有余碳的氧化铝和氮化铝的混合粉体。
  6. 根据权利要求5所述的高导热陶瓷材料，其中，所述的含有余碳的氧化铝和氮化铝的混合粉体在空气中加热至500℃-700℃并保温3-5小时，得到不含碳的所述的氧化铝和氮化铝的混合粉体。
  7. 一种高导热陶瓷材料的制造方法，其中，包括将氧化铝和氮化铝的混合粉体成型后的素胚置于高温炉中，在保护气氛下保温预定时间烧结而成，所述的氧化铝和氮化铝的混合粉体由纳米氧化铝粉体和碳粉混合后碳化氧化而成。
  8. 根据权利要求7所述的高导热陶瓷材料的制造方法，其中，所述的氧化铝和氮化铝的混合粉体的成型方式为干压成型、等静压成型、浇注成型中的一种。
  9. 根据权利要求7所述的高导热陶瓷材料的制造方法，其中，保护气氛下的所述保温温度为1000-1500℃。
  10. 根据权利要求7所述的高导热陶瓷材料的制造方法，其中，保温的所述预定时间为4-20小时。
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