專利名稱：一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法
技術領域：
本發明屬于非氧化物透明陶瓷領域，具體是涉及一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法。
背景技術：
氮化鋁(AlN)陶瓷因具有優良的熱傳導性(熱導率理論值為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(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(293 773Κ時，4. 8 X KT6IT1)等一系列優良特性，被認為是新一代理想的大規模集成電路、半導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點，而且還具有透明性，因此在紅外導流罩以及窗體材料等領域有著廣泛的應用前景。但是，由于AlN化合物 是強共價鍵化合物，燒結活性極低，所以未加燒結助劑的純的AlN很難燒結。透明氮化鋁陶瓷的燒結就更加困難，除了上面一個原因外，氮化鋁易和空氣中的水蒸氣發生反應，從而引入氧雜質，也是一個重要原因。近年來，氮化鋁陶瓷因其優異的綜合性能而收到廣大材料學者和工程技術人員的關注，特別是透明氮化鋁陶瓷也成為人們研究的熱點。從國內外文獻來看，成功燒結氮化鋁透明陶瓷的報導極少，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》等期刊發表了相關論文，文中采用的制備方法是熱壓以及無壓燒結，在流動氮氣保護下，以CaO等為燒結助劑，燒結條件是溫度1800-2000°C，燒結時間3_10h。他們在試驗中觀察以Ca(NO3)2為助劑燒結的透明氮化鋁的燒結過程，發現有三個明顯的過程首先是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。通過研究，他們認為該系統的燒結是比較典型的液相燒結。中國專利CN 1199036A報導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、熱壓燒結以及低溫熱壓燒結之后的熱處理工藝，制得了透明氮化鋁陶瓷，該方法以工業級碳化鈣或者工業級碳化鈣和稀土氧化物的混合物(Y2O3, Sm2O3等)為燒結助劑，在N2等流動氣體保護下，經過幾小時甚至幾十個小時的燒結或者熱處理得到了透光率大于62%的透明AlN陶瓷，該方法的缺點是燒結溫度高、燒結時間長，能耗大。中國專利CN 1371885報導了放電等離子燒結法(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法，采用的設備是放電等離子燒結爐，燒結溫度為17000C -20000C，保溫時間是4-20min，其制備出的透明的氮化鋁陶瓷的透光率大于70%。該方法的缺點是等離子燒結設備價格昂貴，SPS燒結時溫度分布極不均勻，尤其是大尺寸的產品，降低了產品的質量。另外，其模具使用重復率低，增加了產品的成本
發明內容
本發明克服了以上幾種燒結方法的缺點，而研制了一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，該方法是采用超高壓燒結法(簡稱HPS )，在很短的時間內制備出AlN透明陶瓷。高壓燒結(一般稱在大于IGPa壓力下進行的燒結方法為高壓燒結)在材料的燒結方面有一定的優越性，不僅能夠使材料迅速達到高致密度，具有細小晶粒，而且在高壓下可使晶體結構甚至原子、電子狀態發生變化，將高壓狀態保留(截獲)到常壓狀態，從而賦予材料在普通燒結或熱壓燒結等工藝下所達不到的性能。本發明的目的在于采用超高壓燒結法，制備出高性能的AlN透明陶瓷。本發明利用國產六面頂壓機為燒結設備，在燒結助劑選擇、AlN粉體預處理、成型方法的改進、超高壓合成塊組裝的設計、超高壓熱壓燒結工藝等方面進行改進，控制AlN陶瓷的顯微結構、氧含量及其它雜質的含量，獲得性能優良的透明氮化鋁陶瓷。綜上所述本發明的技術方案是通過以下方式實現的
一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，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粉體進行預處理；
(3)添加燒結助劑選用的燒結助劑為碳化鈣和/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)高壓低溫燒結高壓溫度為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。進一步，所述的第(2)步驟中AlN粉體進行預處理是利用真空爐對粉體進行處理，條件是溫度720°C，時間50min。進一步，所述的第(2)步驟中AlN粉體進行預處理是采用流動氮氣保護，常壓下進行粉體的預處理，條件是溫度720°C，時間50min。進一步，所述的第(3)步驟中添加燒結助劑為CaC2，添加量為2. 0-4. 0%。進一步，所述的第(3)步驟中添加燒結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%。進一步，所述的稀土氧化物為至少一種的Y2O3, Sm2O3或La203。進一步，所述的第(3)步驟中添加燒結助劑為2%碳化鈣和1%的氧化釔以及1%的氧化釤的混合物。進一步，所述的第(4)步中的AlN粉體進行高壓成型，將混合好的粉體，用石墨紙進行包覆，裝入葉臘石合成塊，利用干壓法成型，成型壓力在lGPa。本發明的有益效果
本發明與無壓及熱壓燒結制備透明氮化鋁陶瓷材料的方法相比，具有以下優點(I)本發明采用超高壓燒結技術，其特點是超高壓(4. 0-5. 5GPa)、燒結溫度低、不需要氣氛控制、燒結快速，制備的透明氮化鋁陶瓷性能優良，成本較低；(2)本發明的超高壓燒結方法制得的透明AlN陶瓷，其相對密度僅100%，密度可達3. 26g/cm3，在中紅外波段(2. 5-25 μ m)的最大透過率大于60 %，具有晶粒細小，形狀規則，結構均勻致密，無氣孔，具有高致密度，晶粒細?。?3)該制備方法無需氣氛控制；(4)該制備工藝流程簡單、操作方便、生產周期短，在節約能源、提高生產效率等方面有極為重要的意義。


圖1是本發明實施例一的透明氮化鋁斷口 SEM 圖2是本發明實施例二的透明氮化鋁透過率曲線。
具體實施例方式 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。實施例一 選用日本曹達公司制備的粒徑為40 μ m AlN粉體，在真空條件下，720°C熱處理50分鐘，添加3. 5%碳化鈣為燒結助劑，混合均勻；將混合好的粉體，用石墨紙進行包覆，裝入葉臘石合成塊，利用六面頂壓機進行干壓法成型，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合塊，以葉臘石為超高壓燒結的傳壓介質，組裝好后，在六面頂壓機上進行高壓燒結，高壓燒結溫度為1600°C，壓力為4. O GPa，保溫30 min，試樣隨六面頂壓機自然冷卻，既得透明氮化鋁陶瓷。用本發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 強度(MPa) 520 ；
介電常數(lMHz，25°C) :8· O ；
導熱系數(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，形狀規則，生長完整，晶粒都以晶面二維緊密接觸，無氣孔，因此導致材料透明。實施例二
選用日本曹達公司制備的粒徑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，試樣隨六面頂壓機自然冷卻，其它操作和實施例一相同。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 ；
強度(MPa) 500 ；
介電常數(lMHz，25°C) :8· O ；
導熱系數(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斷口形貌分析和實施例一相同。實施例三
選用國產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，在六面頂壓機上進行超高壓燒結，高壓溫度為1650°C，壓力為5. 2 GPa，保溫35 min，試樣隨六面頂壓機自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實施例一相同。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 ；
強度(MPa) 490 ；
介電常數(lMHz，25°C) :8· O ；
導熱系數(W · πΓ1 · K-1) 170 ；
2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) > 60。 SEM斷口形貌分析和實施例一相同。實施例四
選用國產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助劑，采用高壓成型方法，在六面頂壓機上進行超高壓燒結，高壓溫度為16001，壓力為5.0 GPa，保溫30 min，試樣隨六面頂壓機自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實施例一相同。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 ；
強度(MPa) 500 ；
介電常數(lMHz，25°C) :8· O ；
導熱系數(W · πΓ1 · K-1) 170 ；
2. 5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) > 60。SEM斷口形貌分析和實施例一相同。實施例五
選用選用日本曹達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助劑，采用高壓(IGPa)成型方法，在國產六面頂壓機上進行超高壓燒結，主要工藝參數高壓溫度為1700°C，壓力為5. 5 GPa，保溫40 min，試樣隨六面頂壓機自然冷卻，即得透明氮化鋁陶瓷。其它操作和實施例一相同。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 ；
強度(MPa) 540 ；
介電常數(lMHz，25°C) :8· O ；
導熱系數(W · πΓ1 · K-1) 175 ；
2.5-25 μ m紅外波段的最大透過率(％) :> 61。SEM斷口形貌分析和實施例一相同。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，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粉體進行預處理； (3)添加燒結助劑選用的燒結助劑為碳化鈣和/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)高壓低溫燒結高壓溫度為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.根據權利要求1所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結助劑為CaC2，添加量為2. 0-4. 0%。
3.根據權利要求1所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結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.根據權利要求3所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的稀土氧化物為至少一種的Y2O3, Sm2O3或La203。
5.根據權利要求4所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(3)步驟中添加燒結助劑為2%碳化鈣、1%的氧化釔和1%的氧化釤的混合物。
6.根據權利要求1飛任一項所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(2)步驟中AlN粉體進行預處理是利用真空爐對粉體進行處理，條件是溫度720°C，時間:50min。
7.根據權利要求1飛任一項所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(2)步驟中AlN粉體進行預處理是采用流動氮氣保護，常壓下進行粉體的預處理，條件是溫度720°C，時間50min。
8.根據權利要求1飛任一項所述的一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，其特征在于所述的第(4)步中的AlN粉體進行高壓成型，將混合好的粉體，用石墨紙進行包覆，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
本發明涉及一種透明氮化鋁陶瓷的超高壓低溫燒結制備方法，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粉體進行預處理；(3)添加燒結助劑選用的燒結助劑為碳化鈣和/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)高壓低溫燒結高壓溫度為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。本發明制備的透明氮化鋁陶瓷具有晶粒細小，形狀規則，結構均勻致密，無氣孔，具有高致密度，晶粒細?。辉撝苽浞椒o需氣氛控制；該制備工藝流程簡單、操作方便、生產周期短。
文檔編號C04B35/581GK103011830SQ201210583959
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者李小雷, 王紅亮, 王利英, 胡美華, 胡強, 李尚升, 宿太超, 曹新鑫, 何小芳 申請人:河南理工大學