[发明专利]一种高热导率氮化硅陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，提供一种高热导率氮化硅陶瓷及其制备方法，解决现有技术氮化硅陶瓷热导率不高的问题。所述氮化硅陶瓷包括：氮化硅60～90份、碳化硅8～12份、稀土氯化物3～5份、氟化镱0.2～1份、氮化锆0.5～2份、分散剂5～10份。本发明添加稀土氯化物在不额外引入氧的情况下，提高了氮化硅粉体的烧结活性，实现氮化硅陶瓷的致密化；氟化镱可以促进Si和N的扩散，且与氮化硅晶格内的氧杂质反应，从而有效地降低氮化硅晶格溶解氧含量，提高氮化硅热导率；氮化锆中的锆离子对氧具有很强的亲和力，可以吸收部分晶格内的氧杂质。稀土氯化物、氟化镱及氮化锆相互配合，还可以增加氮化硅晶粒的尺寸，排出氧杂质。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及一种高热导率氮化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷作为研究已久的结构材料，具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、比重低以及抗热震等优良性能，被广泛应用于机械、化工、海洋工程、装甲防护以及航空航天等重要领域。过去人们普遍认为氮化硅陶瓷不具有高导热特性，氮化硅轴承球、结构件等的产品的热导率一般只有15～30W·m^-1·K^-1。直至1995年，Haggerty从经典固体传输理论计算发现氮化硅晶体的热导率可高达320W·m^-1·K^-1，是一种很有潜力的高速电路和大功率器件散热和封装材料。

Si₃N₄是一种强共价化合物，在1850℃以上就会发生明显的分解反应，即使在高温下硅和氮的扩散系数也很小，该特性决定了氮化硅陶瓷不能单靠固相烧结达到致密化，需要加入烧结助剂与Si₃N₄粉体表面的SiO₂反应，在高温下形成液相，通过颗粒重排和溶解再沉淀过程，有效地促进氮化硅陶瓷的烧结致密化。目前常用的烧结助剂主要有金属氧化物和稀土氧化物，这些烧结助剂能控制液相粘度，提高相转变，防止固溶体形成，并控制玻璃相组成和含量。

虽然氮化硅理论热导率较高，但目前烧结出的氮化硅陶瓷热导率却远低于理论值，烧结出的氮化硅晶格中存在过多杂质及缺陷，晶界相的含量过高等问题，从而导致烧结氮化硅陶瓷较低的热导率，难以作为陶瓷基板材料而广泛应用。烧结助剂是影响热导率的因素之一，常用的金属氧化物和稀土氧化物烧结助剂在烧结过程中和氮化硅粉体表面的氧化膜发生反应，形成氧化物晶界相残留在氮化硅陶瓷中，降低氮化硅陶瓷的热导率。申请号：201610017072.6公开了一种添加复合助剂制备高致密度氮化硅陶瓷的方法，按以下质量百分比的组成配料：氮化硅70～90％，金属氧化物4～15％，稀土氧化物3～12％，粘结剂0.5～3％，二氧化硅0～8％，氟化铯0～3％，分散剂0～1％，消泡剂0～0.15％。该申请烧结得到的氮化硅陶瓷致密性好，抗弯强度高，但其热导率不高。采用的金属氧化物Al₂O₃虽然提高氮化硅陶瓷的力学性能，但在高温条件下，Al₂O₃中的Al离子会进入氮化硅晶格之中形成赛隆相，造成氮化硅陶瓷导热过程中的声子散射，对氮化硅陶瓷的热导率性能有着极大的负作用。

发明内容

因此，针对以上内容，本发明提供一种高热导率氮化硅陶瓷及其制备方法，解决现有技术氮化硅陶瓷热导率不高的问题。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高热导率氮化硅陶瓷，按重量份数计，所述氮化硅陶瓷由以下原料组份制成：氮化硅60～90份、碳化硅8～12份、稀土氯化物3～5份、氟化镱0.2～1份、氮化锆0.5～2份、分散剂5～10份。

进一步的改进是：所述稀土氯化物为YCl₃、LaCl₃、GdCl₃、TbCl₃、YbCl₃、LuCl₃中的一种或多种。