一種低溫復合高導熱陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子聚合材料領(lǐng)域，具體涉及一種低溫復合高導熱陶瓷材料及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機械、航空航天、能源和軍事等高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，常用的金屬材料及金屬合金材料 在使用溫度和自身密度等方面很難滿足要求，使得人們不得不尋求新的材料來代替。為了 替代現(xiàn)階段的材料，新材料必須具備的性能有:質(zhì)量輕，熱穩(wěn)定性好，高的斷裂韌性、高的斷 裂強度、良好的抗氧化性能、好的抗熱震性能等。陶瓷材料具有高強度、高模量、而且抗氧化 性能、抗腐蝕性能好，與金屬、合金材料相比、具有較低的密度、成為先進航空材料的首選材 料。
[0003] 傳統(tǒng)陶瓷的制備工藝，一般采用粉末燒結(jié)法，一般的工藝過程為:粉末制備-成型-燒結(jié)-加工，雖然其制備工藝改進技術(shù)層出不窮，但仍然具有其本身難以克服的局限：
[0004] 1.燒結(jié)溫度高，雖然可以利用添加燒結(jié)助劑的方法降低燒結(jié)溫度，但是添加燒結(jié) 助劑會降低材料的高溫性能；
[0005] 2.材料成型比較困難;陶瓷成型技術(shù)無法滿足高精度、復雜部件的制造要求；
[0006] 3.材料加工比較困難，胚體強度比較低，不能精細加工，而燒結(jié)體的強度又很大， 很硬，加工成本高，加工困難；
[0007] 4.制備多相材料時，由于粉末混合，不能達到分子級別的均勻分布，使得材料的均 勻性受到限制，從而影響它的高溫性能。
[0008] 有機前驅(qū)體熱解制備陶瓷是近些年來發(fā)展起來的一種制備陶瓷材料的新方法，和 傳統(tǒng)工藝相比，它突破了以上傳統(tǒng)陶瓷制備方法的局限性，其主要具有以下特點：
[0009] 1.可以對材料在分子尺度上進行設(shè)計，采用有機合成的知識和手段，通過化學基 團的設(shè)計組合，合成出所需的合適前驅(qū)體，通過對前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，影響最終陶瓷材料的 組成、結(jié)構(gòu)和性能;再者，分子尺度上的設(shè)計可以使得材料在分子水平上均勻，避免因化學 成分和微觀結(jié)構(gòu)不均勻造成的材料各個部位性能不同。
[0010] 2.制備高性能非常規(guī)結(jié)構(gòu)的陶瓷，利用有機高分子作為前驅(qū)體制備陶瓷材料繼承 了有機聚合物良好的工藝性特點，可以制備出復雜結(jié)構(gòu)的零部件，另外，由于在合成過程中 不需添加其他燒結(jié)助劑，保持了材料優(yōu)良的力學性能和耐高溫性能。
[0011] 3.可以實現(xiàn)陶瓷的近凈尺寸成型。充分利用聚合物分子易成型的優(yōu)點，采用多種 柔性成型方法，如固態(tài)成型，液態(tài)成型和注模成型等，實現(xiàn)陶瓷異型件的凈尺寸成型；
[0012] 4.熱解溫度低，節(jié)約能源。有機前驅(qū)體轉(zhuǎn)變成無機結(jié)構(gòu)一般在800°C就可以基本上 完成，用有機前驅(qū)體制備陶瓷材料的溫度在800-1200°C之間就可以基本完成，而傳統(tǒng)的制 備工藝要在1500°C才能完成。
[0013] 5.高溫性能好。由于有機前驅(qū)體是在分子水平上進行設(shè)計的，前驅(qū)體結(jié)構(gòu)均勻，所 以由其熱解出的陶瓷材料均勻性也必然很好。通過在有機前驅(qū)體中引入能夠抑制晶粒長大 的其他組分，可以使陶瓷材料的結(jié)晶溫度提高，從而提高陶瓷材料的高溫性能。
[0014] 雖然有機前驅(qū)體制備的陶瓷材料較傳統(tǒng)陶瓷材料具有更好的性能，但是其生產(chǎn)成 本高，制備條件較傳統(tǒng)陶瓷苛刻，從而限制了前驅(qū)體陶瓷材料的應(yīng)用。
[0015] LED是一種新型固態(tài)光源，自問世以來受到了極大的關(guān)注。它的發(fā)光機理是靠 PN結(jié) 中的電子在能帶間躍迀產(chǎn)生光能。在外電場的作用下，電子與空穴的輻射復合發(fā)生電致作 用，一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，無輻射復合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余能量轉(zhuǎn)化為熱能。目前LED 的發(fā)光效率僅20%10%，其余能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，大量的熱能需要及時地散發(fā)出去，否 則將會使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發(fā)展的同時，人們也不斷進行 著LED散熱新技術(shù)的研究。
[0016] 金屬鋁材憑借著密度小、熱導率高、表面處理技術(shù)成熟的優(yōu)勢，一直占據(jù)著LED照 明主體材料的市場。隨著人們對安全性能要求的提高，鋁材的導電性成為其一道致命的傷 疤，為了提高LED照明燈具的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。
[0017]開始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導塑料。人類對陶瓷材料的使用已 有幾千年了，現(xiàn)代技術(shù)制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數(shù) 低的特點，完全可以成為LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材 料、電路基板材料和燈具散熱器材料。
[0018] 現(xiàn)有的前驅(qū)體技術(shù)很少用于LED領(lǐng)域陶瓷的成型，一般來說使用前軀體所需成本 較高，對生產(chǎn)條件要求較傳統(tǒng)陶瓷苛刻，其使用領(lǐng)域受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的在于提供一種低溫復合高導熱陶瓷材料，所述的低溫復合高導熱陶 瓷材料有高導熱系數(shù)、耐高溫低溫、耐化學腐蝕、與易成型、工藝簡單、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu) 點。
[0020] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述低溫復合高導熱陶瓷材料的制備方法。
[0021 ]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
[0022] 本發(fā)明提供一種低溫復合高導熱陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷材料包括改性聚 硅氧烷60-70重量份，氧化鋁和氮化鋁的混合粉料30-40重量份，偶聯(lián)劑1-3重量份；
[0023] 其中，所述改性聚硅氧烷分子式為[RnSi04-n/2]n，其中R為改性部分，是含有鈦元素 的基團或苯基。
[0024] 進一步地，所述改性聚硅氧烷為經(jīng)鈦酸酯改性的聚氧硅烷，鈦酸酯占所述基團含 量不超過1.8%，其他R基為1-3個碳原子的飽和烴。
[0025]進一步地，所述氧化鋁和氮化鋁的質(zhì)量比為7:3,混合粉料的粒度1_3μπι，純度99% 以上。
[0026] 進一步地，所述偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑。
[0027] 進一步地，還包括1-3重量份的陶瓷性能助劑。
[0028]進一步地，所述陶瓷性能助劑選自氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅或云母中的一種或 幾種，粒度為10微米以內(nèi)，純度99%以上。
[0029]本發(fā)明還提供一種上述的低溫復合高導熱陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包 括如下步驟：
[0030] 1)將氧化鋁氮化鋁混合粉料放進低溫氮氣保護干燥爐在150-180°C進行烘干，保 溫30分鐘，冷卻至室溫，取出，過300-600目篩，密封備用；
[0031] 2)將改性聚硅氧烷、氧化鋁氮化鋁混合粉料、偶聯(lián)劑(和陶瓷性能助劑）按配比混 合，通過行星式球磨機進行研磨轉(zhuǎn)速200r/min-400;r/min，研磨1-2h，制成混合衆(zhòng)料；
[0032] 3)將混合好的漿料，在220-280°C進行燒結(jié)15-60min，成型，即得復合高導熱陶瓷 材料。該復合高導熱陶瓷材料密度為1.8-2.68/〇113，導熱率為15-401/^·!^
[0033]進一步地，該制備方法還包括:4)將成型的陶瓷取出，在犯保護下進行干法粉體球 磨。球磨過程中，無水無空氣，并最終得到松裝密度為1. lg/cm3，導熱率為15-40W/M · K的復 合高導陶瓷散熱材料。
[0034]進一步地，所述步驟2)中研磨時的溫度高于0攝氏度，低于或等于40攝氏度。
[0035]本發(fā)明的有益效果在于：
[0036] 1、本發(fā)明提供的新型低溫復合高導熱陶瓷材料及其制備方法，采用上述前驅(qū)體改 性聚硅氧烷，通過從分子層面進行改性控制，能夠通過對化學基團進行設(shè)計控制，最終改變 復合陶瓷的性能、組成以及結(jié)構(gòu)，使陶瓷材料的燒結(jié)溫度由l〇〇〇°C以上降低到300°C以下， 實現(xiàn)低溫燒結(jié)。
[0037] 2、本發(fā)明提供的新型低溫復合高導熱陶瓷材料，燒結(jié)成型后陶瓷材料的密度為 1.8-2.6g/cm 3，達到15-40W/M · K的高導熱率;球磨后松裝密度為0.8-1.3g/cm3，達到15-40W/M · K的高導熱率。
[0038] 3、以前驅(qū)體改性聚硅氧烷為原料可以使制得的陶瓷致密性以及強度得到提升，陶 瓷物理化學性質(zhì)能夠均一穩(wěn)定，解決陶瓷后續(xù)金屬化難的問題。
[0039] 4、本發(fā)明的陶瓷材料和制備工藝，能夠制備非常規(guī)陶瓷結(jié)構(gòu)，改變了常規(guī)陶瓷難 以制備復雜零件的特點，同時還保持了優(yōu)良的力學性能。
[0040] 5、該方法降低了生產(chǎn)高導熱散熱陶瓷過程中的巨大能耗，使得陶瓷的脆性得到很 好地改善，降低其成本使得其產(chǎn)業(yè)化得以進行，其中分別在原料的選擇、制備工藝，以及燒 結(jié)成型的方法上加以完善，生產(chǎn)成本比常規(guī)的氧化鋁陶瓷(96