[发明专利]一种低温复合高导热陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子聚合材料领域，具体涉及一种低温复合高导热陶瓷 材料及其制备方法。

背景技术

在机械、航空航天、能源和军事等高温结构领域，常用的金属材料及金 属合金材料在使用温度和自身密度等方面很难满足要求，使得人们不得不 寻求新的材料来代替。为了替代现阶段的材料，新材料必须具备的性能有： 质量轻，热稳定性好，高的断裂韧性、高的断裂强度、良好的抗氧化性能、 好的抗热震性能等。陶瓷材料具有高强度、高模量、而且抗氧化性能、抗 腐蚀性能好，与金属、合金材料相比、具有较低的密度、成为先进航空材 料的首选材料。

传统陶瓷的制备工艺，一般采用粉末烧结法，一般的工艺过程为：粉末 制备-成型-烧结-加工，虽然其制备工艺改进技术层出不穷，但仍然具有其 本身难以克服的局限：

1.烧结温度高，虽然可以利用添加烧结助剂的方法降低烧结温度，但是 添加烧结助剂会降低材料的高温性能；

2.材料成型比较困难；陶瓷成型技术无法满足高精度、复杂部件的制 造要求；

3.材料加工比较困难，胚体强度比较低，不能精细加工，而烧结体的 强度又很大，很硬，加工成本高，加工困难；

4.制备多相材料时，由于粉末混合，不能达到分子级别的均匀分布， 使得材料的均匀性受到限制，从而影响它的高温性能。

有机前驱体热解制备陶瓷是近些年来发展起来的一种制备陶瓷材料的 新方法，和传统工艺相比，它突破了以上传统陶瓷制备方法的局限性，其 主要具有以下特点：

1.可以对材料在分子尺度上进行设计，采用有机合成的知识和手段， 通过化学基团的设计组合，合成出所需的合适前驱体，通过对前驱体结构 的设计，影响最终陶瓷材料的组成、结构和性能；再者，分子尺度上的设 计可以使得材料在分子水平上均匀，避免因化学成分和微观结构不均匀造 成的材料各个部位性能不同。

2.制备高性能非常规结构的陶瓷，利用有机高分子作为前驱体制备陶 瓷材料继承了有机聚合物良好的工艺性特点，可以制备出复杂结构的零部 件，另外，由于在合成过程中不需添加其他烧结助剂，保持了材料优良的 力学性能和耐高温性能。

3.可以实现陶瓷的近净尺寸成型。充分利用聚合物分子易成型的优点， 采用多种柔性成型方法，如固态成型，液态成型和注模成型等，实现陶瓷 异型件的净尺寸成型；

4.热解温度低，节约能源。有机前驱体转变成无机结构一般在800℃就 可以基本上完成，用有机前驱体制备陶瓷材料的温度在800-1200℃之间就 可以基本完成，而传统的制备工艺要在1500℃才能完成。

5.高温性能好。由于有机前驱体是在分子水平上进行设计的，前驱体 结构均匀，所以由其热解出的陶瓷材料均匀性也必然很好。通过在有机前 驱体中引入能够抑制晶粒长大的其他组分，可以使陶瓷材料的结晶温度提 高，从而提高陶瓷材料的高温性能。

虽然有机前驱体制备的陶瓷材料较传统陶瓷材料具有更好的性能，但是 其生产成本高，制备条件较传统陶瓷苛刻，从而限制了前驱体陶瓷材料的 应用。

LED是一种新型固态光源，自问世以来受到了极大的关注。它的发光机 理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能。在外电场的作用下，电子与 空穴的辐射复合发生电致作用，一部分能量转化为光能，无辐射复合产生 的晶格震荡将其余能量转化为热能。目前LED的发光效率仅20％ˉ30％,其余 能量大多转化为热能，大量的热能需要及时地散发出去，否则将会使LED 的寿命减少，甚至永久性失效。所以，在LED快速发展的同时，人们也不 断进行着LED散热新技术的研究。

金属铝材凭借着密度小、热导率高、表面处理技术成熟的优势，一直 占据着LED照明主体材料的市场。随着人们对安全性能要求的提高，铝材 的导电性成为其一道致命的伤疤，为了提高LED照明灯具的使用安全性， 电绝缘材料引起了人们的重视。

开始崭露头角的电绝缘材料有陶瓷材料和高热导塑料。人类对陶瓷材 料的使用已有几千年了，现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、热导率 高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完全可以成为LED照明的新材料。 目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具 散热器材料。