[发明专利]一种高强度、高导热性的Si3

说明书

本发明涉及一种高强度、高导热性的Si₃N₄陶瓷材料及其制备方法，所述Si₃N₄陶瓷材料是以Si₃N₄为主相、以YB₂C₂和MgO作为烧结助剂，经烧结后得到。

技术领域

本发明涉及一种高强度、高导热性的Si₃N₄陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种以 Si₃N₄为主相、YB₂C₂和MgO为烧结助剂来制备的高强度、高韧性和高热导的Si₃N₄陶瓷材料的方法，属于Si₃N₄陶瓷材料的制备领域。

背景技术

随着电动汽车、高铁、风力发电等行业的快速发展，电子器件正朝着大电压、大电流、高电流密度和小型化方向发展。随之而来，如何高效散发大功率器件使用过程中产生的热量成为亟待解决的问题。通常，热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的，而无氧铜具有较高的热导率，因此，陶瓷基板材料的导热性能成为陶瓷覆铜板散热性能好坏的决定因素。另一方面，焊接无氧铜后在热循环过程中陶瓷材料的抗热震性能也会受到考验，因此力学性能和抗热震损伤性能也成为选择散热基板材料的重要考虑因素。相比于目前已在应用的氧化铝和氮化铝陶瓷基板，氮化硅陶瓷具有更高的抗弯强度和断裂韧性，抗热震性能也更为优异，因而是非常理想的散热基板材料。

一般来说，提高氮化硅陶瓷热导率的方法主要有以下四种：(1)采用低氧含量的粉体作为起始原料，比如采用氧含量更低的高纯硅粉作为起始原料；(2)采用外场定向的方法制备具有织构结构的氮化硅陶瓷；(3)采用非氧化物或者氧含量的低的化合物作为烧结助剂；(4)如果氧化物不可避免，则选择能够从氮化硅晶格中吸取氧的氧化物作为烧结助剂。虽然氮化硅陶瓷的理论热导率较高，但是受到原材料，制备工艺等多重因素的限制，氮化硅陶瓷的实际热导率还有待进一步提高。如何提高氮化硅陶瓷的热导率一直是近二十年来的研究热点，研究工作者发现了众多提高氮化硅陶瓷热导率的策略。

发明内容

为此，本发明提供了一种高强度、高导热性的Si₃N₄陶瓷材料，所述Si₃N₄陶瓷材料是以Si₃N₄为主相、以YB₂C₂和MgO作为烧结助剂，经烧结后得到。

本发明中，采用非氧化物的YB₂C₂与MgO组合作为烧结助剂：其中YB₂C₂添加到氮化硅陶瓷中可以“吸取”晶格氧反应生成Y₂O₃等作为液相烧结助剂促进氮化硅陶瓷的烧结致密化，有益于提高其导热性能。而且，YB₂C₂具有典型的片层结构，加入到氮化硅陶瓷中可以进一步阻止SiC晶粒裂纹扩展，起到提高氮化硅陶瓷强度和断裂韧性的作用。此外， MgO的加入同时也使得Si₃N₄陶瓷材料致密。

较佳地，所述Si₃N₄的含量为90～95wt％，YB₂C₂的含量为2.64～7.71wt％，MgO的含量为1.15～4.71wt％，各组分质量百分比之和为100wt％。其中，在MgO加入量一定的前提，YB₂C₂加入量过高会导致Si₃N₄陶瓷材料烧结不致密，所有性能均下降。若YB₂C₂加入量过低则无法有效“吸取”晶格氧来提高热导和依靠层状结构来增强Si₃N₄陶瓷力学性能。