[发明专利]一种制备β-氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明属于β-氮化硅粉体制备技术领域，特别涉及一种制备β-氮化硅粉体的方法。

背景技术

目前，热导率较高的陶瓷粉体被广泛地应用于制备高导热复合材料，如半导体封装材料、导热片、导热膏、导热胶等，能显著提升电子元件的散热效率。这类陶瓷粉体包括氧化物粉体Al₂O₃、SiO₂等，其热导率普遍较低，Al₂O₃的本征热导率为20W/m·K，SiO₂的本征热导率仅为14W/m·K，所制备出的封装材料的散热性能渐渐已不能满足技术发展的要求。

氮化物陶瓷粉体已经成为一种较为理想的新型电子封装材料(电子模塑料)填料，主要包括氮化硼和氮化铝陶瓷粉体，二者的本征热导率均在300W/m·K以上，可大幅度提高电子封装材料的热导性能。但氮化硼和氮化铝陶瓷粉体的价格较高，导致其性价比较低。此外氮化硼粉体呈片状形貌和氮化铝易水解的特性直接限制了它们的大规模工业化应用。

研究发现β-氮化硅的本征热导率高达320W/m·K，且价格便宜，仅为氮化硼和氮化铝陶瓷粉体的1/3至1/2。β-氮化硅还具有相对于AlN和SiC更低的介电常数(4.8～9.5)、低的热膨胀系数(2～3.2×10^-6/℃)和良好的化学稳定性和抗氧化性等优点，与其他填料相比具有明显的优势。因此，β-氮化硅粉体是更为理想的电子封装材料(电子模塑料)填料。

目前合成β-氮化硅粉体的方法很多，其中自蔓延燃烧合成技术(SHS)由于具备成本优势而受到广泛的关注。常规的SHS方法制得的β-氮化硅粉体虽然相转化率高，但是形貌均一性差，且难以得到发育完全，长径比较大的晶粒。这对其在复合材料中的应用十分不利，会在后期复合材料的粒径极配和热通道设计过程中引入较多的不可控因素，给产品质量控制带来困难。

发泡法常用来制备多孔陶瓷，研究表明将陶瓷粉加入特定的泡沫凝胶体系，在机械搅拌作用下得到高气孔率的浆料，引发凝胶反应后即可得到稳定的多孔坯体，干燥后烧结形成孔隙率大于85％的多孔陶瓷。该种方法对于自蔓延方法的启发之处在于，其坯体均匀稳定的气孔和适当的搬动强度正好能够解决自蔓延法中原料粉体孔隙率难以提高、气孔分布不均匀和松装密度不稳定等问题。而后者往往是产物形貌均一性差、晶粒发育不完全的直接原因。

由此，本发明将发泡法和自蔓延法结合起来，形成发泡自蔓延法。用该方法制得的β-氮化硅粉体比普通自蔓延法制得的β-氮化硅粉体晶粒发育更完全，微烧结现象减少。所以得到的粉体长径比均一性佳，并且反应后坯体保持多孔疏松的特性，易于破碎和在破碎中保持单晶的长径比。这对于提高后续复合材料的热导性能具有重要意义。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种低成本制备高热导β-氮化硅粉体的方法，克服已有技术的缺点，使制备的β-氮化硅粉体具有较高的热导率，利于作为填料应用。

本发明还有一个目的在于将所述β-氮化硅粉体应用于高热导的复合材料得到具有提高的性能的所述复合导热材料。

一种制备β-氮化硅粉体的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

(1)粉体活化：将原料硅粉，稀释剂，添加剂三者的混合物置于振动球磨机上球磨，使其充分活化；

(2)配制基液：将有机单体、交联剂、发泡剂溶解于水中，制成基液备用；

(3)制备多孔坯体：将100质量份的基液装入搅拌容器中搅拌，然后缓慢添加50～200质量份的步骤(1)中活化后粉体，继续搅拌至充分发泡，添加0.5～2质量份的引发剂和0～1质量份的催化剂，引发凝胶反应，凝胶反应完成后即制得稳定的泡沫凝胶，注模烘干后即得多孔坯体；坯体的孔隙率可以通过调整基液中发泡剂含量、活化粉体的添加量和搅拌速率来控制在50％～90％；

(4)自蔓延反应：将上述多孔坯体放入燃烧合成高压反应釜中，在坯体前端上表面堆放少量引燃剂(Ti粉)，抽真空后充入1～5MPa的氮气压力，以通电钨丝圈点燃引燃剂，引发坯体发生燃烧合成反应，燃烧反应完成后，冷却至室温，将反应产物细磨得到β-氮化硅粉体，再进行分级处理即可得到长径比可控的β-氮化硅粉体。

步骤(1)中，所述原料硅粉、稀释剂、添加剂比例按质量百分比为：

硅粉：40％～99％；

稀释剂：0％～59％；

添加剂：1％～5％。