專利名稱：一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非氧化物透明陶瓷領(lǐng)域，具體是涉及一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鋁(AlN)陶瓷因具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性(熱導(dǎo)率理論值為320 W/(m*K))、可靠的電絕緣性(體積電阻率大于1012Ω ·πι)、低的介電常數(shù)(IMHz下約為8)和介電損耗、無毒以及與硅(Si )和砷化鎵(GaAs)相匹配的線膨脹系數(shù)(293 773Κ時(shí)，4. 8 X KT6IT1)等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代理想的大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體模塊電路和大功率器件的散熱材料和封裝材料。氮化鋁透明陶瓷不僅具有氮化鋁陶瓷材料的上述優(yōu)點(diǎn)，而且還具有透明性，因此在紅外導(dǎo)流罩以及窗體材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于AlN化合物 是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，燒結(jié)活性極低，所以未加燒結(jié)助劑的純的AlN很難燒結(jié)。透明氮化鋁陶瓷的燒結(jié)就更加困難，除了上面一個(gè)原因外，氮化鋁易和空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，從而引入氧雜質(zhì)，也是一個(gè)重要原因。近年來，氮化鋁陶瓷因其優(yōu)異的綜合性能而收到廣大材料學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注，特別是透明氮化鋁陶瓷也成為人們研究的熱點(diǎn)。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來看，成功燒結(jié)氮化鋁透明陶瓷的報(bào)導(dǎo)極少，最早成功制備氮化鋁陶瓷是日本Tokuyama Soda公司的NoboyukiKuramoto 等人。1984 年，Noboyuki Kuramoto 等人在《Jounal of materials scienceletters》等期刊發(fā)表了相關(guān)論文，文中采用的制備方法是熱壓以及無壓燒結(jié)，在流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以CaO等為燒結(jié)助劑，燒結(jié)條件是溫度1800-2000°C，燒結(jié)時(shí)間3_10h。他們?cè)谠囼?yàn)中觀察以Ca(NO3)2為助劑燒結(jié)的透明氮化鋁的燒結(jié)過程，發(fā)現(xiàn)有三個(gè)明顯的過程首先是1300-1600°C在液相作用下AlN顆粒重排；二是1600-1800°C氮化鋁顆粒的溶解和晶粒的析出；三是1800-2000°C保溫階段氮化鋁晶粒生長(zhǎng)。通過研究，他們認(rèn)為該系統(tǒng)的燒結(jié)是比較典型的液相燒結(jié)。中國(guó)專利CN 1199036A報(bào)導(dǎo)了一種制備氮化鋁透明陶瓷的方法，該方法采用的制備方法是無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)以及低溫?zé)釅簾Y(jié)之后的熱處理工藝，制得了透明氮化鋁陶瓷，該方法以工業(yè)級(jí)碳化鈣或者工業(yè)級(jí)碳化鈣和稀土氧化物的混合物(Y2O3, Sm2O3等)為燒結(jié)助劑，在N2等流動(dòng)氣體保護(hù)下，經(jīng)過幾小時(shí)甚至幾十個(gè)小時(shí)的燒結(jié)或者熱處理得到了透光率大于62%的透明AlN陶瓷，該方法的缺點(diǎn)是燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，能耗大。中國(guó)專利CN 1371885報(bào)導(dǎo)了放電等離子燒結(jié)法(SPS)制備氮化鋁陶瓷，該方法采用的制備方法是放電等離子燒結(jié)法，采用的設(shè)備是放電等離子燒結(jié)爐，燒結(jié)溫度為17000C -20000C，保溫時(shí)間是4-20min，其制備出的透明的氮化鋁陶瓷的透光率大于70%。該方法的缺點(diǎn)是等離子燒結(jié)設(shè)備價(jià)格昂貴，SPS燒結(jié)時(shí)溫度分布極不均勻，尤其是大尺寸的產(chǎn)品，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，其模具使用重復(fù)率低，增加了產(chǎn)品的成本
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了以上幾種燒結(jié)方法的缺點(diǎn)，而研制了一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，該方法是采用超高壓燒結(jié)法(簡(jiǎn)稱HPS )，在很短的時(shí)間內(nèi)制備出AlN透明陶瓷。高壓燒結(jié)(一般稱在大于IGPa壓力下進(jìn)行的燒結(jié)方法為高壓燒結(jié))在材料的燒結(jié)方面有一定的優(yōu)越性，不僅能夠使材料迅速達(dá)到高致密度，具有細(xì)小晶粒，而且在高壓下可使晶體結(jié)構(gòu)甚至原子、電子狀態(tài)發(fā)生變化，將高壓狀態(tài)保留(截獲)到常壓狀態(tài)，從而賦予材料在普通燒結(jié)或熱壓燒結(jié)等工藝下所達(dá)不到的性能。本發(fā)明的目的在于采用超高壓燒結(jié)法，制備出高性能的AlN透明陶瓷。本發(fā)明利用國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)為燒結(jié)設(shè)備，在燒結(jié)助劑選擇、AlN粉體預(yù)處理、成型方法的改進(jìn)、超高壓合成塊組裝的設(shè)計(jì)、超高壓熱壓燒結(jié)工藝等方面進(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，獲得性能優(yōu)良的透明氮化鋁陶瓷。綜上所述本發(fā)明的技術(shù)方案是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的
一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，它包括以下步驟
(1)選料選用平均粒徑在40μ m的AlN微米粉體為原料；
(2)AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理；
(3)添加燒結(jié)助劑選用的燒結(jié)助劑為碳化鈣和/或稀土氧化物，加入量為2. 0%_5. 0wt% ；
(4)聞壓成型成型壓力在IGpa；
(5)高壓低溫?zé)Y(jié)高壓溫度為1500-1700°C，壓力為4.O -5. 5GPa，保溫20_60min，試樣自然冷卻，既得透明氮化鋁陶瓷。進(jìn)一步，所述的第(2)步驟中AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理是利用真空爐對(duì)粉體進(jìn)行處理，條件是溫度720°C，時(shí)間50min。進(jìn)一步，所述的第(2)步驟中AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理是采用流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)，常壓下進(jìn)行粉體的預(yù)處理，條件是溫度720°C，時(shí)間50min。進(jìn)一步，所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為CaC2，添加量為2. 0-4. 0%。進(jìn)一步，所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為碳化鈣和稀土氧化物混合物，碳化鈣添加量為2. 0-3. 0%，稀土氧化物添加量為1. 0-2. 0%。進(jìn)一步，所述的稀土氧化物為至少一種的Y2O3, Sm2O3或La203。進(jìn)一步，所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為2%碳化鈣和1%的氧化釔以及1%的氧化釤的混合物。進(jìn)一步，所述的第(4)步中的AlN粉體進(jìn)行高壓成型，將混合好的粉體，用石墨紙進(jìn)行包覆，裝入葉臘石合成塊，利用干壓法成型，成型壓力在lGPa。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明與無壓及熱壓燒結(jié)制備透明氮化鋁陶瓷材料的方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明采用超高壓燒結(jié)技術(shù)，其特點(diǎn)是超高壓(4. 0-5. 5GPa)、燒結(jié)溫度低、不需要?dú)夥湛刂?、燒結(jié)快速，制備的透明氮化鋁陶瓷性能優(yōu)良，成本較低；(2)本發(fā)明的超高壓燒結(jié)方法制得的透明AlN陶瓷，其相對(duì)密度僅100%，密度可達(dá)3. 26g/cm3，在中紅外波段(2. 5-25 μ m)的最大透過率大于60 %，具有晶粒細(xì)小，形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)均勻致密，無氣孔，具有高致密度，晶粒細(xì)??；(3)該制備方法無需氣氛控制；(4)該制備工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)周期短，在節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率等方面有極為重要的意義。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的透明氮化鋁斷口 SEM 圖2是本發(fā)明實(shí)施例二的透明氮化鋁透過率曲線。
具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實(shí)施例一 選用日本曹達(dá)公司制備的粒徑為40 μ m AlN粉體，在真空條件下，720°C熱處理50分鐘，添加3. 5%碳化鈣為燒結(jié)助劑，混合均勻；將混合好的粉體，用石墨紙進(jìn)行包覆，裝入葉臘石合成塊，利用六面頂壓機(jī)進(jìn)行干壓法成型，成型壓力在IGpa ;將成型好的樣品用鑰箔包覆起來，將包覆好的樣品放入氧化鋯和氧化鎂制成的絕緣管中，將絕緣管放入石墨管中，再將石墨管裝入葉臘石復(fù)合塊，以葉臘石為超高壓燒結(jié)的傳壓介質(zhì)，組裝好后，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高壓燒結(jié)，高壓燒結(jié)溫度為1600°C，壓力為4. O GPa，保溫30 min，試樣隨六面頂壓機(jī)自然冷卻，既得透明氮化鋁陶瓷。用本發(fā)明的方法所制備的透明氮化鋁陶瓷的性能如下
密度(g/cm3) 3. 25 ；
主晶相(X射線)；
AlN 強(qiáng)度(MPa) 520 ；
介電常數(shù)(lMHz，25°C) :8· O ；
導(dǎo)熱系數(shù)(W · πΓ1 · K—1) 180 ；
2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) > 60。如圖1所示，從SEM斷口形貌分析可見，透明AlN晶粒飽滿，形狀規(guī)則，生長(zhǎng)完整，晶粒都以晶面二維緊密接觸，無氣孔，因此導(dǎo)致材料透明。實(shí)施例二
選用日本曹達(dá)公司制備的粒徑40 μ m AlN粉體，以3. 0%碳化鈣和1. 0%的氧化釔混合物為燒結(jié)助劑，高壓溫度為16001，壓力為5.0 GPa，保溫40 min，試樣隨六面頂壓機(jī)自然冷卻，其它操作和實(shí)施例一相同。所制備的透明氮化鋁陶瓷的性能如下
密度(g/cm3) 3. 26 ；
主晶相(X射線)AlN ；
強(qiáng)度(MPa) 500 ；
介電常數(shù)(lMHz，25°C) :8· O ；
導(dǎo)熱系數(shù)(W · πΓ1 · K—1) 190 ；
如圖2所示，2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) :> 63，SEM斷口形貌分析和實(shí)施例一相同。實(shí)施例三
選用國(guó)產(chǎn)自蔓延方法制備的粒徑40 μ m AlN粉體，以2%碳化鈣和2%的氧化釤混合物為燒結(jié)助劑，高壓成型方法壓制成型，合成塊組裝好后，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行超高壓燒結(jié)，高壓溫度為1650°C，壓力為5. 2 GPa，保溫35 min，試樣隨六面頂壓機(jī)自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實(shí)施例一相同。所制備的透明氮化鋁陶瓷的性能如下
密度(g/cm3) 3. 24 ；
主晶相(X射線)AlN ；
強(qiáng)度(MPa) 490 ；
介電常數(shù)(lMHz，25°C) :8· O ；
導(dǎo)熱系數(shù)(W · πΓ1 · K-1) 170 ；
2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) > 60。 SEM斷口形貌分析和實(shí)施例一相同。實(shí)施例四
選用國(guó)產(chǎn)自蔓延方法制備的平均粒徑40μπι AlN粉體，以2%碳化鈣和1%的氧化釔以及1%的氧化釤混合物為燒結(jié)助劑，采用高壓成型方法，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行超高壓燒結(jié)，高壓溫度為16001，壓力為5.0 GPa，保溫30 min，試樣隨六面頂壓機(jī)自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實(shí)施例一相同。所制備的透明氮化鋁陶瓷的性能如下
密度(g/cm3) 3. 24 ；
主晶相(X射線):AlN ；
強(qiáng)度(MPa) 500 ；
介電常數(shù)(lMHz，25°C) :8· O ；
導(dǎo)熱系數(shù)(W · πΓ1 · K-1) 170 ；
2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) > 60。SEM斷口形貌分析和實(shí)施例一相同。實(shí)施例五
選用選用日本曹達(dá)公司制備的平均粒徑40 μ m AlN粉體，以3. 0%碳化鈣和1. 5%的氧化鑭的混合物為燒結(jié)助劑，采用高壓(IGPa)成型方法，在國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)上進(jìn)行超高壓燒結(jié)，主要工藝參數(shù)高壓溫度為1700°C，壓力為5. 5 GPa，保溫40 min，試樣隨六面頂壓機(jī)自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實(shí)施例一相同。所制備的透明氮化鋁陶瓷的性能如下
密度(g/cm3) 3. 25 ；
主晶相(X射線):AlN ；
強(qiáng)度(MPa) 540 ；
介電常數(shù)(lMHz，25°C) :8· O ；
導(dǎo)熱系數(shù)(W · πΓ1 · K-1) 175 ；
2.5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) :> 61。SEM斷口形貌分析和實(shí)施例一相同。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于它包括以下步驟 (1)選料選用平均粒徑在40μ m的AlN微米粉體為原料； (2)AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理； (3)添加燒結(jié)助劑選用的燒結(jié)助劑為碳化鈣和/或稀土氧化物，加入量為2.0%_5. 0wt% ； (4)聞壓成型成型壓力在IGpa； (5)高壓低溫?zé)Y(jié)高壓溫度為1500-1700°C，壓力為4.O -5. 5GPa，保溫20_60min，試樣自然冷卻，既得透明氮化鋁陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為CaC2，添加量為2. 0-4. 0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為碳化鈣和稀土氧化物混合物，碳化鈣添加量為2. 0-3. 0%，稀土氧化物添加量為1. 0-2. 0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的稀土氧化物為至少一種的Y2O3, Sm2O3或La203。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結(jié)助劑為2%碳化鈣、1%的氧化釔和1%的氧化釤的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1飛任一項(xiàng)所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(2)步驟中AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理是利用真空爐對(duì)粉體進(jìn)行處理，條件是溫度720°C，時(shí)間:50min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1飛任一項(xiàng)所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(2)步驟中AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理是采用流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)，常壓下進(jìn)行粉體的預(yù)處理，條件是溫度720°C，時(shí)間50min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1飛任一項(xiàng)所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，其特征在于所述的第(4)步中的AlN粉體進(jìn)行高壓成型，將混合好的粉體，用石墨紙進(jìn)行包覆，裝入葉臘石合成塊，利用干壓法成型，成型壓力在lGPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫?zé)Y(jié)制備方法，它包括以下步驟(1)選料選用平均粒徑在40μm的AlN微米粉體為原料；(2)AlN粉體進(jìn)行預(yù)處理；(3)添加燒結(jié)助劑選用的燒結(jié)助劑為碳化鈣和/或稀土氧化物，加入量為2.0%-5.0wt%；(4)高壓成型成型壓力在1Gpa；(5)高壓低溫?zé)Y(jié)高壓溫度為1500-1700℃，壓力為4.0-5.5GPa，保溫20-60min，試樣自然冷卻，既得透明氮化鋁陶瓷。本發(fā)明制備的透明氮化鋁陶瓷具有晶粒細(xì)小，形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)均勻致密，無氣孔，具有高致密度，晶粒細(xì)?。辉撝苽浞椒o需氣氛控制；該制備工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)周期短。
文檔編號(hào)C04B35/581GK103011830SQ201210583959
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者李小雷, 王紅亮, 王利英, 胡美華, 胡強(qiáng), 李尚升, 宿太超, 曹新鑫, 何小芳 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)