[发明专利]一种通过碳掺杂提高常压烧结氮化硅陶瓷热导率的方法

说明书

本发明涉及一种通过碳掺杂提高常压烧结氮化硅陶瓷热导率的方法，包括：将氮化硅粉体、烧结助剂和碳源混合，得到混合粉体，所述碳源为酚醛树脂、壳聚糖、无水葡萄糖、麦芽糖、果糖和淀粉中的至少一种，所述烧结助剂是以TiO₂为主烧结助剂，以Y₂O₃、Sc₂O₃、Sm₂O₃、Lu₂O₃、Er₂O₃、MgO、Mg₂Si、MgSiN₂中的至少一种为辅烧结助剂的混合物、MgTiO₃、Mg₂TiO₄和MgTi₂O₅的至少一种；将所得混合粉体经成型、排胶，得到陶瓷坯体；将所得陶瓷坯体置于烧结炉中在1600～1800℃下常压烧结，得到致密氮化硅陶瓷。

技术领域

氮化硅陶瓷具有一系列优异的力学性能，包括高抗弯强度和断裂韧性，良好的抗热震性，较小的高温蠕变，同时较好的耐磨损、耐腐蚀性等特点，广泛应用于结构陶瓷领域，诸如汽车，航空航天和电子等。

背景技术

氮化硅的晶体结构由强共价键组成，导致材料烧结难度大，因此通常采用液相烧结制备致密的氮化硅陶瓷材料。同时氮化硅在高温下会发生分解，分解速率随温度的升高而加快，尤其当烧结温度高于1850℃时，其分解速率迅速增加。因此通常采取两种方法来抑制氮化硅的分解，一是通过施加气体压力，即气压烧结，抑制分解反应的进行，最终在较高烧结温度下制备出高性能的氮化硅陶瓷材料；二是通过选用适当的烧结助剂，在较低的温度下制备出致密氮化硅陶瓷材料，即低温液相烧结技术。

目前关于高导热氮化硅陶瓷制备的主要方法是高温气压烧结。日本的研究人员通过添加5mol％MgO和2mol％Y₂O₃作为烧结助剂在0.1MPa氮气气氛、1400℃条件下反应烧结4小时，然后在1MPa氮气气氛，1900℃条件下保温60小时，最后以0.2℃/分钟速度降温，得到热导率为177W/(m·K)的氮化硅陶瓷。尽管该技术得到了较高的热导率，但是成本过高，对设备的要求苛刻，因此限制了氮化硅陶瓷的进一步发展应用。低温液相烧结烧结温度低、时间短、无需气压，对设备的要求低，是降低高导热氮化硅陶瓷制备成本的关键。通常低温液相烧结技术需要较高含量的烧结助剂，氧含量较高，因此导致材料的相关性能(力学性能和热学性能等)下降。

发明内容

针对上述问题，本发明提出通过引入碳源的方法，在常压液相烧结过程中控制并降低氧含量，以提高氮化硅陶瓷材料的热导率。

一方面，本发明提供了一种通过碳掺杂提高常压烧结氮化硅陶瓷热导率的方法，包括：

将氮化硅粉体、烧结助剂和碳源混合，得到混合粉体，所述碳源为酚醛树脂、壳聚糖、无水葡萄糖、麦芽糖、果糖和淀粉中的至少一种，所述烧结助剂是以TiO₂为主烧结助剂，以Y₂O₃、Sc₂O₃、Sm₂O₃、Lu₂O₃、Er₂O₃、MgO、Mg₂Si、MgSiN₂中的至少一种为辅烧结助剂的混合物、MgTiO₃、Mg₂TiO₄和MgTi₂O₅的至少一种；

将所得混合粉体经成型、排胶，得到陶瓷坯体；

将所得陶瓷坯体置于烧结炉中在1600～1800℃下常压烧结，得到致密氮化硅陶瓷。