[发明专利]一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。所述橙色系/黄色系氮化硅陶瓷由作为主晶相的β‑氮化硅、作为次晶相的核壳结构及晶界玻璃相组成；所述核壳结构包含着色离子‑镧系离子，成为氮化硅陶瓷的主要显色基团；所述晶界玻璃相的组成为Eu/Y/Mg‑Si‑Al‑O‑N。本发明制备的橙色系/黄色系氮化硅陶瓷解决了氮化硅颜色单一且颜色单调的问题，同时制备方法简单，工艺易控，适于规模化生产。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种利用核壳结构调制颜色的橙色系/黄色系氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

随着第五代移动通讯(5G)和无线充电(NFC)的兴起，手机背板和智能可穿戴设备外观件去金属化已经明确。陶瓷材料(氮化硅、氧化锆、氧化铝等)因兼具高导热、低介电损耗、优异的机械性能和生物相容性而跻身电子设备中极具吸引力的外壳材料。其中氮化硅陶瓷(Si₃N₄)具有更高的热导率(20～177w/(m·K))、更低的介电损耗(～10^-4)和更出色的机械性能(K_IC:8-12MPa·m^1/2；σ:600-1500MPa)将取代氧化锆和氧化铝陶瓷成为5G手机背板和智能可穿戴设备外观件的理想材料。尽管氮化硅陶瓷凭借出色的性能取得了突出的成就，但颜色单一(通常为灰色)和颜色不可控的问题仍然存在。

氮化硅陶瓷呈色是因为其成分中含有着色氧化物，着色氧化物主要包括过渡金属和镧系金属氧化物两种。然而，过渡金属氧化物高温下易分解和挥发，因此镧系金属氧化物通常作为氮化硅陶瓷的着色剂。其中镧系金属氧化物的显色不仅与镧系离子的电子跃迁有关还与其所处的环境有关。由于镧系离子与硅离子半径相差巨大，所以镧系离子很难固溶于氮化硅晶格取代硅离子，而容易与其他烧结助剂离子发生反应生成着色结晶体。因此，可以通过程序降温控制着色结晶相的数量来调节所吸收特定波长范围内可见光的强度，从而达到调节氮化硅的颜色的目的。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷，所述橙色系/黄色系氮化硅陶瓷解决了氮化硅陶瓷颜色单一及颜色单调的问题。

本发明的第二个目的是提供一种利用核壳结构调制氮化硅颜色的方法，揭示了氮化硅陶瓷的显色机制，并从微观和宏观操作上对氮化硅陶瓷颜色进行渐进调节，使氮化硅颜色呈现出黄色至橘色(橙色系/黄色系)的变化。

本发明的第三个目的是提供一种工艺易控、适于规模化生产的制备橙色系/黄色系氮化硅陶瓷的方法。

本发明的第四个目的是提供所述一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷作为5G智能手机和可穿戴外壳材料的应用。

下面对本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案作具体说明。

一方面，本发明提供了一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷，所述橙色系/黄色系氮化硅陶瓷由作为主晶相的β-氮化硅(含量75～97vol％)、作为次晶相的核壳结构(含量≤1vol％)及晶界玻璃相(含量2～25vol％)组成；所述核壳结构包含着色离子-镧系离子，成为氮化硅陶瓷的主要显色基团；所述晶界玻璃相的组成为Eu/Y/Mg-Si-Al-O-N。所述核壳结构的分布密度与氮化硅颜色的深浅呈现正相关。所述核壳结构的分布密度是扫描透射电镜(STEM)下，核壳结构的数量与所选区域的面积的比值。

较佳的，所述核壳结构的尺寸为5nm～100nm，分布密度为1×10^-5～8×10^-5；所述核壳结构的分布密度与氮化硅颜色的深浅呈现正相关，随着核壳结构分布密度增加，氮化硅颜色呈现出黄色至橘色的变化。

另一方面，本发明提供了一种橙色系/黄色系氮化硅陶瓷的制备方法，包括：