專利名稱：一種ain陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種AlN陶瓷材料的制備方法。
本發(fā)明主要用于制備燒結(jié)困難的AlN、SiC、Si3N4、ZrO2等一大類性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷和功能材料。
通過本發(fā)明的實(shí)施，可獲得致密、無明顯晶界的AlN陶瓷材料，從而使其導(dǎo)熱率、體積電阻率、擊穿強(qiáng)度等主要性能大幅度提高，介電常數(shù)降低，滿足工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω邔?dǎo)熱率、高性能的AlN基片材料、AlN散熱材料及AlN高溫結(jié)構(gòu)材料的要求。
背景技術(shù)：
AlN陶瓷具有高熱導(dǎo)率、介電常數(shù)不高及介質(zhì)損耗較低、機(jī)械強(qiáng)度高、優(yōu)良的電絕緣性、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫性能好、高溫力學(xué)強(qiáng)度大、韌性好以及無毒性等優(yōu)點(diǎn)，其熱導(dǎo)率理論值為320W/m.k，約為Al2O3的10倍，熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6℃-1，與Si的接近，材料無毒性，便于加工制造，是大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體模塊電路和大功率器件的理想散熱材料和封裝材料，受到世界各國的青睞，被視為新一代很有發(fā)展前途的優(yōu)良絕緣散熱基片材料，同時(shí)也是性能優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料。
近幾年來，人們通過對AlN陶瓷的大量研究，已充分認(rèn)識到獲取高熱導(dǎo)、高性能AlN陶瓷的關(guān)鍵技術(shù)在于原料氧含量的控制、燒結(jié)體氧雜質(zhì)的排除以及顯微結(jié)構(gòu)(晶粒尺寸的大小及分布，晶界狀態(tài)，氣孔率及氣孔狀態(tài)，雜質(zhì)的含量和分布等)的控制。在AlN原料氧含量的控制、燒結(jié)體氧雜質(zhì)的排除方面，已經(jīng)發(fā)展了多種粉體制備、熱處理工藝和燒結(jié)助劑，使AlN陶瓷的氧含量及其它雜質(zhì)得到了有效的控制，但是，AlN陶瓷的燒結(jié)不理想(顯微結(jié)構(gòu)沒有得到很好的控制)，在很大程度上影響了AlN陶瓷的性能，開發(fā)AlN陶瓷新的燒結(jié)技術(shù)對提高AlN陶瓷的性能具有重要意義。
中國專利文獻(xiàn)公告號CN1099739公開了一種名稱為《反應(yīng)燒結(jié)用于制備氮化鋁及其復(fù)合陶瓷》的專利技術(shù)，其特點(diǎn)是反應(yīng)燒結(jié)用于制備氮化鋁及其復(fù)合陶瓷的方法在于將含鋁粉的混合粉末通過球磨、真空烘干、過篩、冷等靜壓成型、預(yù)加工，氮化反應(yīng)燒結(jié)等工藝過程，最后得到致密成品。用反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備氮化鋁及其復(fù)合陶瓷，具有制備溫度相對較低，采用的原料便宜易得，新生成的氮化鋁晶粒細(xì)小，燒結(jié)體幾乎沒有收縮、制備成本較低等。具不足之處是燒結(jié)困難，燒結(jié)周期過長，生產(chǎn)成本較高，顯微結(jié)構(gòu)不理想，晶粒較大、晶界明顯、易電擊穿、表面光潔度差。
現(xiàn)有技術(shù)中的AlN陶瓷的生產(chǎn)方法主要存在以下問題(1)AlN與SiC、BN、Si3N4、B4C等非氧化物一樣，在常壓氣氛保護(hù)下燒結(jié)困難。目前，AlN陶瓷是在N2氣氛中、1800℃以上的溫度下燒結(jié)，保溫時(shí)間長達(dá)4小時(shí)，燒結(jié)周期過長，生產(chǎn)成本較高，但其顯微結(jié)構(gòu)不理想，存在晶粒較大、氣孔較大、氣孔率較高、晶界明顯等缺陷，熱導(dǎo)率、電擊穿強(qiáng)度、拋光后的表面光潔度等重要的性能指標(biāo)不理想。
(2)目前，AlN陶瓷生產(chǎn)需要經(jīng)過原料抗水化預(yù)處理、N2保護(hù)下的細(xì)磨、流延成型、熱處理脫膠、高溫N2保護(hù)下的燒結(jié)等工藝，存在生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，工藝復(fù)雜，掌握關(guān)鍵技術(shù)難度大，產(chǎn)品性能波動(dòng)較大，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高表面光潔度的AlN陶瓷的制備方法。
本發(fā)明的目的通過AlN陶瓷生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)成本控制得以實(shí)現(xiàn)，在燒結(jié)助劑的預(yù)處理、燒結(jié)模具的設(shè)計(jì)、超高壓熱壓燒結(jié)等方面進(jìn)行改進(jìn)，控制AlN陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、氧含量及其它雜質(zhì)的含量，獲得的AlN陶瓷材料的性能優(yōu)異、表面光潔度高。
本發(fā)明利用兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的4GPa~8GPa超高壓、低溫、快速燒結(jié)，獲得性能優(yōu)異、生產(chǎn)成本低的AlN陶瓷。
本發(fā)明的一種AlN陶瓷的制備方法主要包括如下步驟a.燒結(jié)助劑的預(yù)處理將燒結(jié)助劑細(xì)磨1～8小時(shí)；b.AlN原料和燒結(jié)助劑的研磨AlN原料粉體，加入預(yù)處理后的燒結(jié)助劑共同研磨1～8小時(shí)。
c.真空干燥箱將研磨后的AlN原料和燒結(jié)助劑的粉體在真空干燥箱中干燥1～5小時(shí)。
d.燒結(jié)模具的選用在20MPa～50MPa的壓力下，用鋼模將配料、細(xì)磨后的AlN粉體預(yù)壓成片；e.冷等靜壓成型在200MPa～250MPa的壓力下，將多個(gè)預(yù)壓成型的坯體，冷等靜壓成型，制成AlN的片狀坯體；f.AlN粉體預(yù)壓成型將成型好的AlN坯體裝如放入鉬杯中，鉬杯放入白云石的絕緣杯中，絕緣杯放入石墨發(fā)熱介質(zhì)中，然后再裝入白云石模具內(nèi)；將裝有AlN樣品的白云石模具裝入兩面頂壓機(jī)中；g.采用兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，進(jìn)行AlN陶瓷低溫、快速、無氧氣氛控制的燒結(jié)先加壓到4Gpa～8Gpa，然后開始加熱升溫到1500℃～1750℃，保溫60～120分鐘，自然冷卻。
燒結(jié)助劑采用Y2O3、Sm2o3、Dy2O3、Nd2O3或Y2O3-Dy2O3中的一種。
本發(fā)明的AlN陶瓷的制備過程中(1)燒結(jié)助劑的預(yù)處理將Y2O3、Sm2o3、Dy2O3、Nd2O3或Y2O3-Dy2O3等燒結(jié)助劑在配料前細(xì)磨，1～8小時(shí)，以降低其粒度，保證燒結(jié)助劑與AlN粉體混合均勻，最大限度地發(fā)揮燒結(jié)助劑的脫氧、助燒結(jié)的作用。
(2)燒結(jié)模具的選用選用白云石為絕緣介質(zhì)材料和穿壓介質(zhì)材料。
白云石在高壓高溫下沒有可逆的相變、化學(xué)反應(yīng)，并具有高熱膨脹率的特點(diǎn)，對提高燒結(jié)腔內(nèi)壓力，保證4GPa～8GPa超高壓熱壓燒結(jié)具有重要意義。
(3)AlN粉體預(yù)壓成型用鋼模將配料、細(xì)磨后的AlN粉體預(yù)壓成片，在200MPa～250MPa的壓力下冷等壓成型AlN的片狀坯體，目的是為了獲得致密均勻的AlN的坯體。
(4)采用兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，進(jìn)行AlN陶瓷低溫、快速、無氣氛控制的燒結(jié)將成型好的AlN坯體裝如放入鉬杯中，既能防止燒結(jié)過程中樣品被污染，有能保證坯體在燒結(jié)時(shí)受到均勻的高壓作用；然后將鉬杯放入白云石的絕緣杯中，將絕緣杯放入石墨發(fā)熱介質(zhì)中，再將裝入白云石模具內(nèi)，白云石作為傳壓介質(zhì)；將裝好AlN樣品的白云石模具裝入兩面頂壓機(jī)中，先加壓到4GPa～8GPa后開始加熱，升溫到1500℃～1750℃，在該高壓、高溫條件下保溫60～120分鐘，然后自然冷卻，完成AlN陶瓷的制備。包括升溫時(shí)間、降溫時(shí)間、保溫時(shí)間在內(nèi)的燒結(jié)周期為70～130分鐘。
本發(fā)明以兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，采用超高壓(4GPa～8GPa)熱壓燒結(jié)技術(shù)，制備致密、顯微結(jié)構(gòu)均勻、無明顯晶界的AlN陶瓷材料，其性能及燒結(jié)程度優(yōu)于常規(guī)方法制備的AlN陶瓷材料。
與常規(guī)制備AlN陶瓷材料的方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用超高壓、低溫、快速、無氣氛控制的燒結(jié)技術(shù)，獲得AlN陶瓷的導(dǎo)熱率、體積電阻率、擊穿強(qiáng)度、表面光潔度等性能大幅度提高，成本較低；(2)本發(fā)明工藝簡單、實(shí)用，易于操作，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間及生產(chǎn)周期短，成本低。不需要對AlN粉體進(jìn)行抗水化預(yù)處理，不需要采用流延法成型，省去了熱處理脫膠工藝。


圖1為本發(fā)明的AlN陶瓷制備的工藝流程圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
從圖1本發(fā)明的AlN陶瓷制備的工藝流程圖中可以看出，本發(fā)明的一種AlN陶瓷的制備過程主要包括如下步驟(1)燒結(jié)助劑的預(yù)處理將Y2O3-Dy2O3復(fù)合燒結(jié)助劑快速磨中研磨3小時(shí)。
(2)AlN原料和燒結(jié)助劑的研磨AlN原料粉體，加入5wt％預(yù)處理后的Y2O3-Dy2O3復(fù)合燒結(jié)助劑共同研磨1小時(shí)。其中Y2O3的添加量為4wt％，Dy2O3的加入量為1wt％。
(3)真空干燥箱將研磨后的AlN原料和燒結(jié)助劑的粉體在真空干燥箱中干燥1小時(shí)。
(4)AlN粉體預(yù)壓成型將真空干燥后AlN粉體，在30Mpa壓力下，預(yù)壓制成φ25mm的圓片狀坯體。
(5)冷等靜壓成型將多個(gè)預(yù)壓成型的坯體放入的軟膜模具中，在250MPa的壓力下冷等靜壓成型。
(6)采用兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了AlN陶瓷低溫、快速、無氣氛控制的燒結(jié)將成型好的AlN坯體裝如放入鉬杯中，以防燒結(jié)過程中的污染；然后將鉬杯放入白云石的絕緣杯中，將絕緣杯放入石墨發(fā)熱介質(zhì)中，再將裝入白云石模具內(nèi)，白云石作為傳壓介質(zhì)；將裝好AlN樣品白云石模具裝入兩面頂壓機(jī)中，先加壓到5.15GPa后開始加熱，升溫到1675℃，在該高壓、高溫條件下，保溫100分鐘，然后自然冷卻，完成AlN陶瓷的制備。包括升溫時(shí)間、降溫時(shí)間、保溫時(shí)間在內(nèi)的燒結(jié)周期為115分鐘左右。
(7)拋光、清洗用金剛石磨料，對AlN陶瓷表面進(jìn)行細(xì)磨、拋光處理。用稀鹽酸浸泡已拋光的AlN陶瓷，自來水清洗。
制備的AlN陶瓷的主要性能參數(shù)見表1。
表1 AlN陶瓷的主要性能參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種AlN陶瓷的制備方法，其特征在于制備過程主要包括以下步驟a.燒結(jié)助劑的預(yù)處理將燒結(jié)助劑細(xì)磨1～8小時(shí)；b.AlN原料和燒結(jié)助劑的研磨AlN原料粉體，加入預(yù)處理后的燒結(jié)助劑共同研磨1～8小時(shí)。c.真空干燥箱將研磨后的AlN原料和燒結(jié)助劑的粉體在真空干燥箱中干燥1～5小時(shí)。d.燒結(jié)模具的選用在20Mpa～50MPa的壓力下，用鋼模將配料、細(xì)磨后的AlN粉體預(yù)壓成片；e.冷等靜壓成型在200MPa～250MPa的壓力下，將多個(gè)預(yù)壓成型的坯體，冷等靜壓成型，制成AlN的片狀坯體；f.AlN粉體預(yù)壓成型將成型好的AlN坯體裝如放入鉬杯中，鉬杯放入白云石的絕緣杯中，絕緣杯放入石墨發(fā)熱介質(zhì)中，然后再裝入白云石模具內(nèi)；將裝有AlN樣品的白云石模具裝入兩面頂壓機(jī)中；g.采用兩面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，進(jìn)行AlN陶瓷低溫、快速、無氧氣氛控制的燒結(jié)先加壓到4Gpa～8Gpa，然后開始加熱升溫到1500℃～1750℃，保溫60～120分鐘，自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種AlN陶瓷的制備方法，其特征在于燒結(jié)助劑采用Y2O3、Sm2o3、Dy2O3、Nd2O3或Y2O3～Dy2O3中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能AlN陶瓷的制備方法，包括以下步驟(1)在室溫、30MPa～60MPa的壓力下，用鋼模將AlN粉體預(yù)壓成片；(2)將預(yù)壓好的AlN片狀樣品放入冷等壓機(jī)中，在200MPa～250MPa的壓力下冷等壓成型；(3)將冷等壓成型好的樣品裝如放入鉬杯中，將鉬杯放入白云石的絕緣杯中，將絕緣杯放入石墨發(fā)熱介質(zhì)中，再將裝入白云石模具內(nèi)，白云石作為傳壓介質(zhì)；(4)將裝好AlN樣品白云石模具裝入兩面頂壓機(jī)中，先加壓到4GPa～8GPa后開始加熱，升溫到1500℃～1750℃，在該高壓、高溫條件下保溫一定時(shí)間，然后自然冷卻，完成AlN陶瓷的制備。本發(fā)明提供的方法工藝簡單、實(shí)用，易于操作，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間及生產(chǎn)周期短，成本低，獲得AlN陶瓷材料的性能優(yōu)異。
文檔編號C04B35/645GK1749213SQ200510021379
公開日2006年3月22日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者楊繽維, 騰遠(yuǎn)成, 李丹 申請人:四川藝精長運(yùn)超硬材料有限公司