[发明专利]一种高性能氮化铝陶瓷的低温烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能氮化铝陶瓷的低温烧结方法，属于氮化物陶瓷领域。

背景技术

氮化铝具有高热导率、高电绝缘性及与硅相近的热膨胀系数，因而在通讯和电子器件领域受到重视，已成为目前最有希望的新一代陶瓷基片材料，也是一种具有广阔开发前景的高温结构陶瓷材料。

近年来氮化铝的研究已经取得了较大的进展，但是其应用却呈献相对停滞状态，氮化铝陶瓷性能优异，但其商品化程度较低，原因在于氮化铝陶瓷产品价格高昂，其中氮化铝烧结温度高也是造成其价格高、难以商品化的关键。

因为氮化铝属于共价键晶体，无添加剂时难于烧结致密。一般的制造工艺大多采用加入一定量的CaO或者Y₂O₃等碱土金属或者稀土金属氧化物做烧结助剂，在1800℃以上的高温烧成氮化铝陶瓷，所得的氮化铝陶瓷组织扫描图见附图1。如果能把氮化铝烧结温度降至1600℃附近将大大降低其烧结成本。研究者主要还是采用添加较多的烧结添加剂，在较低温度下形成液相，通过液相烧结机制完成氮化铝陶瓷的致密化。但是过多的添加剂，往往会形成包裹氮化铝晶粒的第二相，使得氮化铝陶瓷的性能下降。

发明内容

本发明目的在于提供一种高性能氮化铝陶瓷及其低温烧结方法，使得产品具有良好的性能价格比。

具体地说，本发明采用平均颗粒尺寸为8～20μm，氮化铝晶粒尺寸约为30nm的氮化铝粉末进行低温烧结，烧结温度为1500～1600℃。

一种高性能氮化铝陶瓷的低温烧结方法，包括如下步骤：

将氮化铝粉末加入烧结助剂，混合后装入石墨模具中，然后将其放于真空热压烧结炉中烧结，控制烧结温度为1500～1600℃，压力为2Mpa，真空度为10^-2帕，时间为1h，烧结后切断电源并随炉冷却到室温，最终得氮化铝陶瓷。

所述的氮化铝粉末的平均颗粒尺寸为8～20μm，氮化铝晶粒尺寸约为30nm；

所用的烧结助剂为工业级CaO，YF₃和Y₂O₃任意一种或者一种以上混合物，烧结助剂的用量按其占氮化铝粉末重量的1～3％。

本发明低温烧结方法制备的氮化铝陶瓷具有较好的性能，热导率介于120～150Ｗ·m^-1·Ｋ^-1之间，三点弯曲强度为400～500MPa，显微硬度为Hv1200MPa，气孔率为1～3%。

本发明的有益效果

本发明的优点在于采用平均颗粒尺寸为8～20μm，氮化铝晶粒尺寸约为30nm的氮化铝粉末，在低于1600℃的烧结温度下烧结即可制得高致密度（烧结体的气孔率降低至1.1%）的氮化铝陶瓷，从而降低生产成本。而且在这样的烧结温度下，下游厂商就可以使用MoSi₂作为烧结炉的加热元件，烧结炉的尺寸会变小，且结构也会变简单，这对批量生产来说就可能实现连续烧结，非常适于工业化生产。本发明提供的低温烧结方法所得的高性能氮化铝陶瓷，其热导率介于120～150Ｗ·m^-1·Ｋ^-1之间，三点弯曲强度为400～500MPa，显微硬度为Hv1200Mpa，。

附图说明

图1、普通氮化铝粉末1800℃烧结后显微组织图

图2、实施例1所得氮化铝陶瓷，即在温度1600℃下烧结的显微组织图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，进一步说明本发明的工艺和特点，但并不限制本发明。

实施例1

原料氮化铝粉末的平均颗粒尺寸为8μm，颗粒分布为对数-正态分布，所选用的添加物为工业级CaO，添加物的总量为1％；

烧结工艺为：将烧结助剂加入氮化铝粉末，混合后装入石墨模具中，然后将其放于热压炉中，烧结温度为1600℃，压力为2MPa，加压烧结采用到温加压法，在保温时间内保持压力，烧结时间为 1h，然后随炉降温。烧结在真空中进行，真空度为10^-2帕。