一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的氮化鋁陶瓷的制備方法，是一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法，具體是：將氟化銨粉體和氮化鋁粉體按質量配比(0.24～0.36):1分別稱量，然后在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到混合粉料；將制得的混合粉料裝入模具中，再將模具置于等離子活化燒結爐中，在燒結溫度1600～1800℃、保溫時間3～5min、燒結壓力30～40MPa和氮氣氣氛下進行致密化，最后得到氮化鋁陶瓷。本發(fā)明采用氟化銨作為添加劑，克服了現(xiàn)有氧化物添加劑在氮化鋁陶瓷燒結過程中引入新雜質的技術難題，在燒結過程中可有效減少AlON等雜相的生成，而又不引入其它雜質，同時也能促進陶瓷致密化，因而能夠獲得具有較高純度和高致密度的氮化鋁陶瓷。
【專利說明】
一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及氮化鋁陶瓷的純化燒結技術，具體是一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，氮化鋁(AlN)陶瓷因其高熱導率、高絕緣性、低介電常數(shù)和介電損耗、良好的機械性能且與半導體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，成為新一代絕緣散熱封裝材料和半導體基片材料的首選，而只有高純度、高致密度的AlN陶瓷才具有優(yōu)異的綜合性能。然而，一方面，由于氮化鋁中的Al-N鍵具有較高的共價鍵成分，熔點高，自擴散系數(shù)小，燒結活性低，導致氮化鋁粉末難以燒結致密化。另一方面，由于AlN極易水解形成Al2O3,這些Al2O3進入AlN晶格后形成AlON雜相(如A1903N7、A1703N5、A1506N等)，導致材料性能下降，這都在一定程度上限制了氮化鋁陶瓷的應用。
[0003]為此，除了選用高純原料并嚴格控制原料粉末的保存條件以外，人們通常在燒結過程中添加稀土金屬、堿土金屬或堿金屬等的氧化物(如Y203、Ca0、Li20等)，來減少或去除氮化鋁陶瓷中的AlON雜相。這些添加劑在燒結過程中可與AlN粉體中的Al2O3雜質反應形成液相物質，能有效地避免氧原子在AlN晶格中的固溶，且這些液相物質填充入AlN晶界之間，提高了燒結體的致密度。但是，燒結過程中形成的這些反應物難以排出，容易在AlN晶界處堆積，即又會引入新的雜質，因而會影響AlN陶瓷的性能。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有氧化物添加劑在AlN陶瓷燒結過程中引入新雜質的技術難題，采用氟化銨(NH4F)作為添加劑，來減少AlN陶瓷中的AlON雜相，而又不引入其它雜質，同時促進AlN陶瓷的致密化。
[0005]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下的技術方案:
[0006]本發(fā)明提供的氮化鋁陶瓷的制備方法，是一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法，具體是:將氟化銨粉體和氮化鋁粉體按質量配比(0.24?0.36):1分別稱量，然后在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到混合粉料;將制得的混合粉料裝入模具中，再將模具置于等離子活化燒結爐中，在燒結溫度1600?1800 0C、保溫時間3?5min、燒結壓力30?40MPa和氮氣氣氛下進行致密化，最后得到氮化鋁陶瓷。
[0007]所述的氟化銨粉體為分析純的氟化銨。
[0008]所述的氮化鋁粉體的粒徑為0.5μπι。
[0009]上述方法中，可以將氟化銨粉體和氮化鋁粉體置于剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.8μηι的混合粉料。
[0010]本發(fā)明制備的氮化鋁陶瓷，其致密度為98.2%-99.5%，其氧含量為1.23%-
0.55%。
[0011]本發(fā)明中，將NH4F作為添加劑用于AlN陶瓷的燒結，其作用是去除原料粉體中的氧化物雜質，得到高純度、高致密度的燒結體。在燒結前期的低溫階段，NH4F分解生成HF與NH3，而HF在830°C之前可與AlN中的Al2O3雜質反應生成AlF3;在燒結中期，當溫度升高至1200°C左右時，這些AlF3由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，而液態(tài)AlF3能有效包覆AlN晶粒，并與另一分解產(chǎn)物NH3反應生成AlN，沉積在被包覆的AlN晶粒上，促進陶瓷致密化;在燒結后期，隨著溫度的繼續(xù)升高，剩余的液態(tài)AlF3轉變?yōu)闅鈶B(tài)排出。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下主要的優(yōu)點:
[0013](I)可避免AlON雜相的生成。
[0014]NH4F的分解產(chǎn)物可與AlN中的Al2O3雜質反應，能有效地去除樣品中的氧，避免AlON雜相的生成。
[0015](2)可提高產(chǎn)品的純度。
[0016]采用NH4F作為添加劑不會引入其它雜質，因為生成的中間產(chǎn)物AlF3最終可轉變?yōu)闅鈶B(tài)排出，避免了現(xiàn)有稀土或堿土金屬氧化物添加劑引入其它雜質的問題。無明顯氧化物雜質，純度高。
[0017](3)可促進AlN陶瓷的致密化。
[0018]采用該方法制得的氮化鋁陶瓷，晶粒間結合良好，致密度高。
[0019]總之，本發(fā)明采用NH4F作為添加劑，能有效地去除樣品中的氧，避免AlON雜相的生成，而且克服了現(xiàn)有氧化物添加劑在AlN陶瓷燒結過程中引入新雜質的問題，提高產(chǎn)品的純度，并能促進AlN陶瓷的致密化。
【附圖說明】
[0020]圖1為原料粉體與添加不同配比NH4F的氮化鋁陶瓷的X射線衍射物相分析結果。
[0021]圖2為原料粉體與添加不同配比NH4F的氮化鋁陶瓷的氮氧含量測試結果。
[0022]圖3為未添加NH4F的氮化鋁陶瓷的掃描電鏡斷面形貌圖。
[0023]圖4為本發(fā)明實施例4添加NH4F的氮化鋁陶瓷的掃描電鏡斷面形貌圖。
[0024]圖5為本發(fā)明實施例1、3、5氮化鋁陶瓷的X射線衍射物相分析結果。
【具體實施方式】
[0025]為更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0026]實施例1:
[0027]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.9μπι;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.24:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.8μπι的混合粉料;將混合粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度1600°C、保溫時間4min、燒結壓力40MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0028]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為98.2%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為1.23%。
[0029]實施例2:
[0030]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.7μπι;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.24:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.6μπι的混合粉料;將粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度isoor、保溫時間3min、燒結壓力35MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0031]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為99.3%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為0.97 %。
[0032]實施例3:
[0033]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.9μπι;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.30:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.8μπι的混合粉料;將粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度160(TC、保溫時間5min、燒結壓力30MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0034]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為98.4%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為0.60 %。
[0035]實施例4:
[0036]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.8μπι;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.30:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.7μπι的混合粉料;將粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度1700°C、保溫時間3min、燒結壓力40MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0037]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為98.9%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為0.58 %。
[0038]實施例5:
[0039]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.6μπι;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.36:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.5μπι的混合粉料;將粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度isoor、保溫時間4min、燒結壓力30MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0040]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為99.5%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為0.55 %。
[0041 ] 實施例6:
[0042]將氟化銨晶體顆粒置于剛玉研缽中研磨，得到顆粒細小均勻的氟化銨粉體，其粒徑為1.5μ??;將氟化銨粉體與粒徑為0.5μπι的氮化鋁粉體按照質量配比0.36:1混合，在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.4μπι的混合粉料;將粉料裝入高溫石墨模具中，并將模具置于等離子活化燒結爐中進行燒結，燒結條件是:燒結溫度1700°C、保溫時間5min、燒結壓力35MPa、燒結氣氛為氮氣，最終得到的樣品是氮化鋁陶瓷。
[0043]經(jīng)阿基米德排水法檢測，所得到的氮化鋁陶瓷樣品的致密度為98.7%，使用氧氮氫聯(lián)合測定儀測得其氧含量為0.56 %。
[0044]原料粉體與添加不同配比NH4F后的氮化鋁陶瓷的X射線衍射物相分析結果如圖1所示。圖中顯示，AlN原料粉體中有少量Al2O3雜質，導致直接燒結后的氮化鋁陶瓷中生成大量Al7O3N5雜質；隨著NH4F添加量的增加，氮化鋁陶瓷中的Al7O3N5雜質逐漸減少，并轉變?yōu)锳l5O6N;當NH4F添加量為0.24時，AlON雜質消失。
[0045]氮化鋁陶瓷中的氧氮含量隨NH4F添加量的變化如圖2所示。圖中顯示，隨著NH4F添加量的增加，氮含量逐漸升高，而氧含量不斷降低。當NH4F添加量達0.24以上時，氮化鋁陶瓷中的氧氮含量接近理論值。
[0046]未添加NH4F的氮化鋁陶瓷的斷面形貌如圖3所示，該陶瓷中含有大量片層狀Al7O3N5雜質。實施例4添加NH4F的氮化鋁陶瓷的斷面形貌如圖4所示，可以看出該陶瓷中已無片層狀AlON雜質存在，而且AlN晶粒間排布緊密，界面清晰、潔凈。
[0047]本發(fā)明實施例1、實施例3、實施例5氮化鋁陶瓷的X射線衍射物相分析結果如圖5所示，顯示這些陶瓷材料均為純AlN相。
【主權項】
1.一種氮化鋁陶瓷的制備方法，其特征是一種以氟化銨為添加劑的氮化鋁陶瓷的制備方法，具體是:將氟化銨粉體和氮化鋁粉體按質量配比(0.24?0.36):1分別稱量，然后在剛玉研缽中充分研磨均勻，得到混合粉料;將制得的混合粉料裝入模具中，再將模具置于等離子活化燒結爐中，在燒結溫度1600?1800°C、保溫時間3?5min、燒結壓力30?40MPa和氮氣氣氛下進行致密化，最后得到氮化鋁陶瓷。2.根據(jù)權利要求1所述的氮化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述的氟化銨粉體為分析純的氟化銨。3.根據(jù)權利要求1所述的氮化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于所述的氮化鋁粉體的粒徑為 0.5μηι。4.根據(jù)權利要求1所述的氮化鋁陶瓷的制備方法，其特征是將氟化銨粉體和氮化鋁粉體置于剛玉研缽中充分研磨均勻，得到粒徑范圍為0.5-1.8μπι的混合粉料。5.根據(jù)權利要求1至4中任一所述的氮化鋁陶瓷的制備方法，其特征是所得到氮化鋁陶瓷，其致密度為98.2%~99.5%,其氧含量為1.23 % -0.55 %。
【文檔編號】C04B35/63GK105837224SQ201610374803
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】王傳彬, 王丹丹, 李美娟, 王廣陽, 沈強, 張聯(lián)盟
【申請人】武漢理工大學