本發明涉及陶瓷燒結載體，具體涉及一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體及其制備方法。

背景技術：

1、在先進的材料科學領域，特別是在陶瓷材料的研究與應用中，高熵材料的概念正逐步展現其巨大的潛力。高熵材料，以其多組元、高混亂度的特性，通常表現出優于傳統單組元或雙組元材料的性能，如更高的硬度、更好的熱穩定性、更優異的耐磨性和耐腐蝕性。這些特性使得高熵材料在極端環境下，如高溫、高壓、強輻射等條件，具有更廣泛的應用前景。

2、陶瓷材料，特別是那些用于精密制造和高溫環境的陶瓷，如半導體封裝中的劈刀，對材料的硬度、韌性和耐磨性有著極高的要求。傳統的陶瓷材料雖然在一定程度上能夠滿足這些需求，但在面對更極端的使用條件時，其性能往往受到限制。因此，開發新型的高性能陶瓷材料，成為當前材料科學研究的重要方向。

3、近年來，高熵陶瓷的研究逐漸興起，通過將高熵理念引入陶瓷材料的設計中，研究者們已經成功制備出了一系列具有優異性能的高熵陶瓷。這些高熵陶瓷通常包含多種主元元素，通過精細的成分調控和制備工藝優化，可以實現材料性能的顯著提升。

4、盡管高熵陶瓷具有諸多優點，但在其制備過程中，特別是高溫燒結階段(溫度通?！?800℃)，卻面臨著一系列嚴峻的技術挑戰：

5、1.均熱性差：高熵陶瓷由于成分復雜，不同元素之間的熱傳導性能差異顯著，導致在燒結過程中難以實現均勻的熱量分布。這不僅影響材料的微觀結構均勻性，還可能引發局部過熱或冷卻不均，從而影響材料的整體性能。

6、2.致密性差：高溫燒結過程中，孔隙和缺陷的存在以及晶粒生長的不均勻性，導致高熵陶瓷的致密化程度難以達到理想狀態。這不僅會降低材料的力學性能，如強度、硬度等，還可能影響材料的熱穩定性和化學穩定性。

7、3.抗變形性能和抗炸裂率下降：由于燒結過程中產生的熱應力和殘余應力，以及材料內部微觀結構的不均勻性，高熵陶瓷在受到外力作用或溫度變化時容易發生變形甚至炸裂。這不僅影響材料的可靠性和穩定性，還限制了其在極端環境下的應用。

8、以上背景技術內容的公開僅用于輔助理解本發明的發明構思及技術方案，其并不必然屬于本專利申請的現有技術，也不必然會給出技術教導；在沒有明確的證據表明上述內容在本專利申請的申請日之前已經公開的情況下，上述背景技術不應當用于評價本技術的新穎性和創造性。

技術實現思路

1、為了解決傳統燒結載體的均熱性差、致密性差、抗變形性能和抗炸裂率下降等技術問題，本發明提出了一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體及其制備方法，通過優化組分和制備工藝，解決高溫燒結過程中出現的均熱性差、致密性差、抗變形性能和抗炸裂率下降等技術問題，提高高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體的性能和穩定性。

2、為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

3、一方面，本發明提供一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體，包括以下重量百分比的組分：

4、al?2o3納米晶粒:35％～45％；

5、si?3n4納米晶粒:20％～30％；

6、yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒：10％～20％；

7、y2si2o7摻雜y3al?5o12的納米晶粒：15％～25％；

8、mgo納米晶粒：2％～6％。

9、本發明提出了一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體及其制備方法，通過優化組分和制備工藝，解決高溫燒結過程中出現的均熱性差、致密性差、抗變形性能和抗炸裂率下降等技術問題，提高高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體的性能和穩定性。

10、作為優選技術方案，在所述yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒中，yb2o3的摻雜量為0.1％～20％。

11、作為優選技術方案，在所述y2s?i2o7摻雜y3a?l5o12的納米晶粒中，y2s?i2o7的摻雜量為10％～50％。

12、作為優選技術方案，所述al?2o3納米晶粒、所述si3n4納米晶粒、所述yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒、所述y2si2o7摻雜y3al5o12的納米晶粒和所述mgo納米晶粒的粒徑均為5～20nm；所述al?2o3納米晶粒、所述si3n4納米晶粒、所述yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒、所述y2s?i2o7摻雜y3al?5o12的納米晶粒和所述mgo納米晶粒的比表面積均>50m2/g。

13、另一方面，本發明提供一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體的制備方法，制備得到如上任一項所述的高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體，包括以下步驟：

14、s1按照重量百分比稱取al2o3納米晶粒、si?3n4納米晶粒、yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒、y2si2o7摻雜y3al5o12的納米晶粒和mgo納米晶粒進行球磨混合，得到混合均勻的漿料；

15、s2將混合均勻的漿料進行冷凍真空原位固化成型，得到多孔陶瓷預駐體；

16、s3將多孔陶瓷預駐體依次進行超臨界干燥和預燒結，得到初始多孔陶瓷坯體；

17、s4將初始多孔陶瓷坯體進行熱等靜壓燒結，得到致密燒結載體毛坯；

18、s5將致密燒結載體毛坯依次進行量子調控和高熵滲透，得到高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體。

19、作為優選技術方案，步驟s1中按照重量百分比稱取al?2o3納米晶粒、si?3n4納米晶粒、yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒、y2si2o7摻雜y3a?l5o12的納米晶粒和mgo納米晶粒進行球磨混合，具體包括以下步驟：

20、s101按照重量百分比稱取35％～45％?al?2o3納米晶粒、20％～30％s?i?3n4納米晶粒、10％～20％yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒、15％～25％y2s?i2o7摻雜y3al5o12的納米晶粒和2％～6％mgo納米晶粒這些投料至球磨機中，再將納米zro2球放入球磨機,所述納米zro2球和所述投料的重量配比為10:1；

21、s102在真空氬氣保護下,以球磨轉速750～850rpm，進行球磨5～7小時；

22、s103添加分散劑和造孔劑,繼續球磨1.5～2.5小時，得到混合均勻的漿料，其中分散劑和造孔劑的重量配比為1:1。

23、作為優選技術方案，步驟s2將混合均勻的漿料進行冷凍真空原位固化成型，具體包括以下步驟：

24、s201將混合均勻的漿料注入預制模具,在-190～-170℃溫度下快速冷凍，得到冷凍后的漿料；

25、s202將冷凍后的漿料轉移至真空原位固化裝置中,在-70～-50℃溫度下固化成型23～24小時，得到多孔陶瓷預駐體。

26、作為優選技術方案，步驟s3將多孔陶瓷預駐體依次進行超臨界干燥和預燒結，具體包括以下步驟：

27、s301超臨界干燥，包括以下步驟：將多孔陶瓷預駐體采用超臨界co2干燥，得到干燥后的多孔陶瓷預駐體；

28、s302預燒結，包括以下步驟：將干燥后的多孔陶瓷預駐體在750℃～850℃溫度下預燒1.5～2.5小時,得到初始多孔陶瓷坯體。

29、作為優選技術方案，步驟s4將初始多孔陶瓷坯體進行熱等靜壓燒結，具體包括以下步驟：

30、s401將初始多孔陶瓷坯體置于熱壓機熱壓腔內，熱壓腔內真空度為10-3pa，加熱到1500～1700℃，施加單軸壓力90～110mpa，保溫3.5～4.5小時，制備得到致密燒結載體毛坯。

31、作為優選技術方案，步驟s5將致密燒結載體毛坯依次進行量子調控和高熵滲透，具體包括以下步驟：

32、s501量子調控：將致密燒結載體毛坯在真空10-3pa狀態下，850～950℃溫度下，保溫1.5～2.5小時，量子調控熱振子，冷卻至200℃，得到量子調控燒結載體；

33、s502高熵滲透：將量子調控燒結載體在1800℃～2000℃溫度環境下滲透mgo納米粉體，冷卻至室溫，得到高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體。

34、本發明提供的一種高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體及其制備方法，具有以下有益效果：

35、1)通過優化組分和制備工藝，解決高溫燒結過程中出現的均熱性差、致密性差、抗變形性能和抗炸裂率下降等技術問題，提高高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體的性能和穩定性；

36、2)在≥1800℃高溫燒結下，al2o3和si3n4之間的反應生成液相；液相的存在可以促進si3n4的溶解和析出，從而加速燒結過程；液相還可以填充晶粒間的空隙，提高復合陶瓷的致密度和強度；在燒結過程中，助燒劑(如mgo、y2o3等)與al?2o3和si?3n4反應生成晶間玻璃相；晶間玻璃相在高溫下可以軟化并填充晶粒間的空隙，進一步提高復合陶瓷的致密度；同時，晶間玻璃相還可以起到潤滑作用，促進晶粒的重排和致密化；在高溫下，si3n4可能發生固溶反應和晶型轉變，生成sia?l?on等新的晶相；這些新的晶相可能具有更高的硬度和強度，從而提高陶瓷復合燒結載體的性能；固溶反應和晶型轉變還可以促進晶粒的生長和致密化，進一步增強陶瓷復合燒結載體的網絡結構；當al?2o3納米晶粒在組分中的重量百分比過低時，al2o3作為網絡形成體，其含量不足時，無法形成完整的網絡結構；這會導致與si3n4顆粒之間的連接不夠緊密，出現較多的空隙和缺陷；不完整的網絡結構會降低陶瓷復合燒結載體的高溫穩定性；在高溫下，由于缺少足夠的al2o3來穩定結構，陶瓷復合燒結載體可能會出現軟化、變形甚至開裂可能無法與si3n4形成足夠的復合陶瓷網絡結構，導致高溫下結構不夠穩定。當al2o3納米晶粒在組分中的重量百分比過高時，過高的al2o3含量可能會占據過多的空間，使得si3n4顆粒之間的夾心晶簇難以形成,夾心晶簇的形成有助于熱量在陶瓷復合燒結載體中的傳遞和分散；當夾心晶簇形成受阻時，熱量子化效應會減弱，導致陶瓷復合燒結載體的熱導率降低；因此，本技術al2o3納米晶粒在陶瓷復合燒結載體中的含量需要控制在適當的范圍內(如35％～45％)，以確保與si3n4形成足夠的復合陶瓷網絡結構，從而在高溫下結構不夠穩定，同時提升了陶瓷復合燒結載體的熱導率；

37、本技術組分中添加yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒，稀土氧化物中的稀土元素具有獨特的4f電子層結構，這些電子在能級之間躍遷時會產生豐富的光譜性質；在yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒中，yb3+離子的4f電子可能與其他稀土元素的4f電子或晶格中的其他電子發生相互作用，從而增強量子態之間的耦合；量子態耦合的增強有助于電子在能級之間的躍遷更加高效，這可能促進熱量以更小的單位(即更接近量子的形式)進行傳遞，促進熱量子化過程,熱量子化有助于熱量在材料內部更均勻地分布，從而提高均熱性；

38、本技術yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒在組分中的重量百分比優選10％～20％，適量的yb2o3摻雜可以細化y2o3的晶粒尺寸；細小的晶粒能夠更緊密地排列在一起，減少晶粒間的空隙，從而提高材料的致密度；yb2o3作為摻雜劑，可以填充y2o3基體中的微小孔隙和缺陷；這種填充效應有助于減少材料的孔隙率，進一步提高致密度；優選yb2o3摻雜y2o3的納米晶粒重量百分比為10％～20％，降低了材料的整體致密度，從而提高了材料的抗變形率和抗炸裂率；

39、y2si2o7摻雜y3a?l5o12的納米晶粒：15％～25％，y2si2o7的摻雜能夠在y3al5o12的晶界處形成納米晶粒，可以優化晶界結構，減少晶界處的缺陷和散射中心；優化的晶界結構有助于熱量在晶粒之間更高效地傳遞，減少熱量在晶界處的損失和散射，從而提高整體熱量傳遞率；y2s?i2o7摻雜y3al5o12的納米晶粒的重量百分比優選15％～25％，適量的y2si2o7摻雜可以形成連續的熱傳導路徑，這些路徑能夠更有效地將熱量從材料的一個部分傳遞到另一個部分；這種連續的熱傳導路徑有助于減少熱量在材料內部的擴散阻力，進一步提高材料的熱傳導效率，這也有助于實現更均勻的熱量分布，從而改善均熱性；

40、y2si2o7的摻雜可以填充y3al5o12材料中的空隙和孔隙，減少材料的孔隙率；填充效應有助于提高材料的致密度，使材料更加緊密和堅固；y2si2o7摻雜y3al5o12的納米晶粒的重量百分比優選15％～25％，適量的y2si2o7摻雜可以抑制y3al?5o12晶粒的過度生長，使晶粒尺寸更加均勻和細小；均勻的晶粒尺寸有助于進一步提高材料的致密度；

41、y2si2o7摻雜增強y3al?5o12晶界處的強度；強化的晶界能夠更有效地抵抗外部應力和變形，從而提高材料的抗變形率。

42、氧化鎂納米晶粒的引入增強材料的高溫原子擴散遷移能力，這是因為納米晶粒具有較高的比表面積和表面活性，可以提供更多的原子擴散通道和遷移位點；此外，納米晶粒的引入還可能改變材料的晶界結構和化學成分，從而影響原子的擴散和遷移行為；在高溫下，原子的擴散和遷移能力增強有助于材料內部的均勻化和致密化過程，從而提高材料的整體性能；

43、氧化鎂納米晶粒的重量百分比優選2％～6％，優化氧化鎂納米晶粒的配比可以在一定程度上抑制材料的變形和炸裂，這是因為氧化鎂納米晶粒的引入可以改變材料的力學性能，如提高晶界強度等；這些改變有助于減少材料內部的缺陷和應力集中現象，從而提高材料的抗變形和抗炸裂能力。此外，氧化鎂納米晶粒的引入還可能改變材料的熱膨脹系數和熱應力分布，從而有助于減少因溫度變化引起的熱應力集中和炸裂現象。

44、3)本發明提供的高熵熱量子化陶瓷復合燒結載體在制備過程中通過引入多種納米晶粒和摻雜的納米晶粒，同時采用高熵效應和量子調控技術工藝等手段，顯著提高了材料的綜合性能，不僅實現了燒結載體熱量子化傳遞,而且兼具高熵穩定的優異高溫性能，提高燒結載體的熱傳導效率、高溫穩定性和機械性能，不易發生嚴重變形或炸裂等技術問題。