本發明涉及燈具散熱基板材料領域，具體涉及一種LED散熱基板材料及制備方法。
背景技術：
21世紀以來，LED在照明領域的發展如日中天，但據研究報告顯示，現今市面上生產、生活常用的大功率LED，它們的電光轉換效率約為20%-30%，剩余的70%-80%的電能無法轉化成光能，就會轉化為無法通過熱輻射方式釋放的熱能。這些多余熱量會使LED內半導體晶格震動加劇、禁帶寬度減小、出光效率下降，直接影響LED器件的使用壽命。現有的LED散熱基板主要是由鋁、銅等金屬材料制成，雖然此類純金屬散熱基板的導熱性比較好，但是熱膨脹性也相對較高，在實際使用過程中容易產生熱應力，導致散熱基板變形和翹曲，不能持續穩定地散熱，導致LED在使用過程中散熱不佳，影響LED的使用質量。
因此，現有技術有待改進和發展。
技術實現要素：
鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種LED散熱基板材料及制備方法，使制得的散熱基板可穩定持續地散熱，防止LED在使用過程中散熱不佳，保證LED的使用質量。
本發明的技術方案如下：
一種LED散熱基板材料，由以下重量份的原料制成：鋁熔融金屬液30-40份、氮化鋁粉末10-15份及燒結助劑4-5份。
所述的一種LED散熱基板材料，其中，氮化鋁粉末由以下重量份的原料制成：無水三氯化鋁6-8份、異丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份、四氟乙烯10-15份、碳黑10-12份及無水乙醇2-3份。
所述的一種LED散熱基板材料，其中，氮化鋁粉末的制備方法如下：（A）取無水三氯化鋁6-8份、異丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份混合攪拌15-20分鐘得到混合溶液；（B）將混合溶液倒入有四氟乙烯10-15份的容器中，密封后置于100°烤箱中反應20小時后自然冷卻，獲得氧化鋁凝膠；（C）將氧化鋁凝膠與碳黑10-12份混合，加無水乙醇2-3份球磨成細粉，置于石墨坩堝中備用；（D）將石墨坩堝放在1600 0C—1750 0C、氮氣氣氛保護下讓細粉充分反應，保溫5-8小時后在低于7500C空氣中保溫1-4小時，脫除殘余碳并最終得到灰白色的氮化鋁粉末。
所述的一種LED散熱基板材料，其中，燒結助劑由以下重量份的原料制成：氧化鈣3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二釔1-2份、氧化鑭1-2份、氧化鈰2-3份、氧化鋰1-2份。
所述的一種LED散熱基板材料，其中，燒結助劑的制備方法如下：將氧化鈣3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二釔1-2份、氧化鑭1-2份、氧化鈰2-3份、氧化鋰1-2份溶于20份純凈水中配制成溶液，充分混合攪拌后濃縮干燥，研磨成粉備用。
一種LED散熱基板材料的制備方法，其中，制備方法如下：（1）將氮化鋁粉末壓緊、填充在燒結模具中并將燒結模具放入熱壓設備中，然后加入燒結助劑，使氮化鋁粉末燒結成氮化鋁粉坯；（2）將氮化鋁粉坯放入壓力浸滲爐中，在機械加壓條件下，鋁熔融金屬液作為密封介質，通過保持機械加壓使鋁熔融金屬液強行滲入氮化鋁粉坯的氣孔和縫隙中，最終凝固、冷卻形成鋁基氮化鋁復合材料；（3）對鋁基氮化鋁復合材料進行熱處理，最終得到鋁基氮化鋁散熱基板材料。
所述的一種LED散熱基板材料的制備方法，其中，熱處理包括中溫固溶處理和低溫完全人工時效處理。
本發明的有益效果是：本發明通過提供一種LED散熱基板材料及其制備方法，制備出鋁基氮化鋁散熱基板材料，使用此材料制得的散熱基板成品導熱性高、熱膨脹系數低，能持續穩定地發揮較好的散熱效果，保證LED的使用性能，延長LED的使用壽命。
附圖說明：
圖1為純鋁和實施例1~3的鋁基氮化鋁散熱基板材料關于熱導率和熱膨脹系數的測試數據表。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下舉實施例對本發明進一步詳細說明。
作為大功率LED基板材料，不僅要有較高的導熱性，還要有與芯片相近的較低的熱膨脹系數。生產中常用的散熱基板材料有硅、陶瓷、金屬(如鋁、銅)等。其中硅和陶瓷材料加工困難、生產成本高；金屬材料的熱膨脹系數與LED晶粒不匹配，使用過程中易產生熱應力和翹曲。為了盡可能保留某些材料的優勢和減少某些材料的缺陷，發明人構想出一種復合材料，提出一種LED散熱基板材料，主要由以下重量份的原料制成：鋁熔融金屬液30-40份、氮化鋁粉末10-15份及燒結助劑4-5份。上述的LED散熱基板材料，其制備方法如下：（1）將氮化鋁粉末壓緊、填充在燒結模具中并將燒結模具放入熱壓設備中，然后加入燒結助劑，使氮化鋁粉末燒結成氮化鋁粉坯；（2）將氮化鋁粉坯放入壓力浸滲爐中，在機械加壓條件下，鋁熔融金屬液作為密封介質，通過保持機械加壓使鋁熔融金屬液強行滲入氮化鋁粉坯的氣孔和縫隙中，最終凝固、冷卻形成鋁基氮化鋁復合材料；（3）對鋁基氮化鋁復合材料進行熱處理，最終得到鋁基氮化鋁散熱基板材料。使用上述制備方法制得的鋁基氮化鋁散熱基板材料導熱率高、膨脹系數低，能持續穩定地發揮更好的散熱效果。
鋁基氮化鋁散熱基板材料作為一種復合材料，其主要組成部分包括基體和增強體。其中，基體對復合材料的機械性能起著決定性作用，要求作為基體的材料具有良好的導熱性和符合要求的低熱膨脹性。因此，基體材料通常選擇鋁、鎂、銅等純金屬。在研制過程中，發明人選擇綜合性能優異、低密度、低成本的鋁作為基體，將鋁加工成熔融鋁金屬液待用。增強體主要影響復合材料的熱膨脹系數和導熱性這兩個重要的熱物理性能，在研制過程中，發明人選擇氮化鋁作為增強體。
其中，氮化鋁粉末由以下重量份的原料制成：無水三氯化鋁6-8份、異丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份、四氟乙烯10-15份、碳黑10-12份及無水乙醇2-3份，其制備方法如下：（A）取無水三氯化鋁6-8份、異丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份混合攪拌15-20分鐘得到混合溶液；（B）將混合溶液倒入有四氟乙烯10-15份的容器中，密封后置于100°烤箱中反應20小時后自然冷卻，獲得氧化鋁凝膠；（C）將氧化鋁凝膠與碳黑10-12份混合，加無水乙醇2-3份球磨成細粉，置于石墨坩堝中備用；（D）將石墨坩堝放在1600 0C—1750 0C、氮氣氣氛保護下讓細粉充分反應，保溫5-8小時后在低于7500C空氣中保溫1-4小時，脫除殘余碳并最終得到灰白色的氮化鋁粉末。
為了制得質量更好的鋁基氮化鋁散熱基板材料，在制備過程中，可以加入燒結助劑。一方面，加入燒結助劑有助于降低燒結溫度，更容易實現液相燒結，有利于提高氮化鋁粉坯的致密度；另一方面，燒結助劑能與氧氣反應，幫助減少鋁基氮化鋁復合材料內部的含氧雜質，從而提高導熱性。燒結助劑由以下重量份的原料制成：氧化鈣3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二釔1-2份、氧化鑭1-2份、氧化鈰2-3份、氧化鋰1-2份，其制備方法如下：將氧化鈣3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二釔1-2份、氧化鑭1-2份、氧化鈰2-3份、氧化鋰1-2份溶于20份純凈水中配制成溶液，充分混合攪拌后濃縮干燥，研磨成粉備用。
為了使鋁基氮化鋁復合材料的綜合性能進一步提高，變成能夠用于制備散熱基板的鋁基氮化鋁散熱基板材料，還需要進行一定的熱處理。其中，熱處理包括中溫固溶處理和低溫完全人工時效處理。
實施例1
本實施例制備了一種鋁基氮化鋁散熱基板材料，并實驗測定其導熱性能和熱膨脹性能，其制備方法如下：
（a1）取無水三氯化鋁6份、異丙醚10份、二氯甲烷29份混合攪拌15分鐘；將混合溶液倒入有四氟乙烯10份的容器中，密封后置于100°烤箱中反應20小時后自然冷卻，獲得氧化鋁凝膠；將氧化鋁凝膠與碳黑10份混合，加無水乙醇2份球磨成細粉，置于石墨坩堝中；將石墨坩堝放在1600 0C—1750 0C、氮氣氣氛保護下讓細粉充分反應，保溫5-8小時后在低于7500C空氣中保溫1-4小時，脫除殘余碳并最終得到灰白色的氮化鋁粉末10份備用；
（b1）取氧化鈣3份、二氧化硅3份、三氧化二釔1份、氧化鑭1份、氧化鈰2份、氧化鋰1份，溶于20份純凈水中配制成溶液，充分混合攪拌后濃縮干燥，研磨成粉，得到4份燒結助劑備用；
（c1）將10份氮化鋁粉末壓緊、填充在燒結模具中并將燒結模具放入加熱溫度為600℃并持續施加單軸壓力的熱壓設備中，然后加入4份燒結助劑，使氮化鋁粉末燒結成氮化鋁粉坯；將氮化鋁粉坯放入壓力浸滲爐中，在機械加壓條件下，30份鋁熔融金屬液作為密封介質，通過保持機械加壓使鋁熔融金屬液強行滲入氮化鋁粉坯的氣孔和縫隙中，最終凝固、冷卻形成鋁基氮化鋁復合材料；
（d1）對鋁基氮化鋁復合材料進行熱處理：第一步進行固溶處理，即將鋁基氮化鋁復合材料加熱到495℃，即滿足高溫單相區的溫度，然后恒溫保持1小時，這一步的效果是使過剩相能夠在此條件下充分溶解到固溶體中，然后將鋁基氮化鋁復合材料置于水中冷卻，得到內部組織為過飽和固溶體的鋁基氮化鋁復合材料；第二布進行完全人工時效，即對鋁基氮化鋁復合材料采用160℃的時效溫度，并且保溫8小時，最終得到鋁基氮化鋁散熱基板材料。
以下對本實施例制得的鋁基氮化鋁散熱基板材料進行導熱性和熱膨脹性能進行測試：
導熱性是指材料傳導熱量的能力，一般用熱導率衡量，熱導率是指在材料內部，當溫度垂直于導熱方向向下梯度為1℃/m時，單位時間（1秒）內通過單位水平橫截面積（1平方米）所傳遞的熱量，單位一般是W/(m·K)。實驗中，使用激光導熱儀來測試尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為128.9（W/mk），如圖1所示。
熱膨脹性描述的是固體金屬材料在溫度每升高1K時，材料長度或體積發生形變后與之前對比的相對變化量。實驗中，使用熱膨脹測試儀測定尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為0.631×10^-5~0.874×10^-5 （1/℃），如圖1所示。
實施例2
本實施例制備了一種鋁基氮化鋁散熱基板材料，并實驗測定其導熱性能和熱膨脹性能，其制備方法如下：
（a2）取無水三氯化鋁8份、異丙醚13份、二氯甲烷31份混合攪拌15分鐘；將混合溶液倒入有四氟乙烯15份的容器中，密封后置于100°烤箱中反應20小時后自然冷卻，獲得氧化鋁凝膠；將氧化鋁凝膠與碳黑12份混合，加無水乙醇3份球磨成細粉，置于石墨坩堝中；將石墨坩堝放在1600 0C—1750 0C、氮氣氣氛保護下讓細粉充分反應，保溫5-8小時后在低于7500C空氣中保溫1-4小時，脫除殘余碳并最終得到灰白色的氮化鋁粉末15份備用；
（b2）取氧化鈣5份、二氧化硅5份、三氧化二釔2份、氧化鑭2份、氧化鈰3份、氧化鋰2份，溶于25份純凈水中配制成溶液，充分混合攪拌后濃縮干燥，研磨成粉，得到5份燒結助劑備用；
（c2）將15份氮化鋁粉末壓緊、填充在燒結模具中并將燒結模具放入加熱溫度為600℃并持續施加單軸壓力的熱壓設備中，然后加入5份燒結助劑，使氮化鋁粉末燒結成氮化鋁粉坯；將氮化鋁粉坯放入壓力浸滲爐中，在機械加壓條件下，40份鋁熔融金屬液作為密封介質，通過保持機械加壓使鋁熔融金屬液強行滲入氮化鋁粉坯的氣孔和縫隙中，最終凝固、冷卻形成鋁基氮化鋁復合材料；
（d2）對鋁基氮化鋁復合材料進行熱處理：第一步進行固溶處理，即將鋁基氮化鋁復合材料加熱到495℃，即滿足高溫單相區的溫度，然后恒溫保持1小時，這一步的效果是使過剩相能夠在此條件下充分溶解到固溶體中，然后將鋁基氮化鋁復合材料置于水中冷卻，得到內部組織為過飽和固溶體的鋁基氮化鋁復合材料；第二布進行完全人工時效，即對鋁基氮化鋁復合材料采用160℃的時效溫度，并且保溫8小時，最終得到鋁基氮化鋁散熱基板材料。
以下對本實施例制得的鋁基氮化鋁散熱基板材料進行導熱性和熱膨脹性能進行測試：
實驗中，使用激光導熱儀來測試尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為144.8（W/mk），如圖1所示。
實驗中，使用熱膨脹測試儀測定尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為0.745×10^-5~0.925×10^-5 （1/℃），如圖1所示。
實施例3：
本實施例制備了一種鋁基氮化鋁散熱基板材料，并實驗測定其導熱性能和熱膨脹性能，其制備方法如下：
（a3）取無水三氯化鋁7份、異丙醚12份、二氯甲烷30份混合攪拌15分鐘；將混合溶液倒入有四氟乙烯13份的容器中，密封后置于100°烤箱中反應20小時后自然冷卻，獲得氧化鋁凝膠；將氧化鋁凝膠與碳黑12份混合，加無水乙醇2份球磨成細粉，置于石墨坩堝中；將石墨坩堝放在1600 0C—1750 0C、氮氣氣氛保護下讓細粉充分反應，保溫5-8小時后在低于7500C空氣中保溫1-4小時，脫除殘余碳并最終得到灰白色的氮化鋁粉末12份備用；
（b3）取氧化鈣4份、二氧化硅4份、三氧化二釔1份、氧化鑭1份、氧化鈰2份、氧化鋰1份，溶于20份純凈水中配制成溶液，充分混合攪拌后濃縮干燥，研磨成粉，得到4份燒結助劑備用；
（c3）將12份氮化鋁粉末壓緊、填充在燒結模具中并將燒結模具放入加熱溫度為600℃并持續施加單軸壓力的熱壓設備中，然后加入4份燒結助劑，使氮化鋁粉末燒結成氮化鋁粉坯；將氮化鋁粉坯放入壓力浸滲爐中，在機械加壓條件下，35份鋁熔融金屬液作為密封介質，通過保持機械加壓使鋁熔融金屬液強行滲入氮化鋁粉坯的氣孔和縫隙中，最終凝固、冷卻形成鋁基氮化鋁復合材料；
（d3）對鋁基氮化鋁復合材料進行熱處理：第一步進行固溶處理，即將鋁基氮化鋁復合材料加熱到495℃，即滿足高溫單相區的溫度，然后恒溫保持1小時，這一步的效果是使過剩相能夠在此條件下充分溶解到固溶體中，然后將鋁基氮化鋁復合材料置于水中冷卻，得到內部組織為過飽和固溶體的鋁基氮化鋁復合材料；第二布進行完全人工時效，即對鋁基氮化鋁復合材料采用160℃的時效溫度，并且保溫8小時，最終得到鋁基氮化鋁散熱基板材料。
以下對本實施例制得的鋁基氮化鋁散熱基板材料進行導熱性和熱膨脹性能進行測試：
實驗中，使用激光導熱儀來測試尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為165.1（W/mk），如圖1所示。
實驗中，使用熱膨脹測試儀測定尺寸為?8×10mm的鋁基氮化鋁散熱基板材料樣品，得到的數據為0.631×10^-5~0.874×10^-5 （1/℃），如圖1所示。
為方便與純鋁材料的性能作比較，實驗中，使用激光導熱儀來測試尺寸為?8×10mm的純鋁材料樣品，得到的數據為217.7（W/mk），如圖1所示。實驗中，使用熱膨脹測試儀測定尺寸為?8×10mm的純鋁材料樣品，得到的數據為1.881×10^-5~2.360×10^-5（1/℃），如圖1所示。
通過對比和分析圖1中的實驗數據，可以發現鋁基氮化鋁散熱基板材料熱導率比純鋁稍低，即導熱性能比純鋁稍低，但在實際使用中已經足夠滿足散熱要求；其熱膨脹系數比純鋁低很多，尤其實施例3制得的鋁基氮化鋁散熱基板材料的熱膨脹系數大約只有純鋁的三分之一，即在同樣的溫度變化條件下，鋁基氮化鋁散熱基板材料的熱膨脹量遠遠比純鋁小，在實際使用中不易變形，有利于持續穩定地散熱。
應當理解的是，以上對本發明進行了詳細的介紹，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。