一种氮化硅发热体及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化硅发热体及其制备方法，该氮化硅发热体由发热源及发热本体组成，所述发热源为钨丝，所述发热本体以氮化硅(Si3N4)、三氧化二铝（A1203)、三氧化二钇（Y203）、氮化铝（A1N）为原料，经配制研磨、模压成型、高温烧结的制备方法制备而成，以原料的总重量计，原料中名组分的重量份数为：氮化硅(Si3N4)80～95、三氧化二铝（A1203)0.1～5、三氧化二钇（Y203）、2～8氮化铝（A1N）3～5。使用该方法所生产出的氮化硅发热体具有较高可靠性和安全性，断裂韧性增加，弯曲强度增加。
【专利说明】
一种氮化硅发热体及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电热元件技术领域，具体地说涉及一种氮化硅发热体及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 氮化硅是一种共价键陶瓷，纯Si3N^v体无法烧结，必须添加少量助烧剂在高温形 成液相，进行液相烧结，才能得到性能优异的氮化硅材料。常用的添加剂包括:Al 203、Mg0、 Si〇2等金属氧化物、Y2O3、La2〇3、Ce〇2等稀土氧化物，以及AlN、Mg3N2、TiN、ZrN等氮化物。高性 能氮化硅陶瓷具有绝缘、高强、耐高温、耐氧化、耐热冲击和高导热性等优异的电学、热学和 力学性能。
[0003] 氮化硅发热片是一种结合高性能氮化硅陶瓷基体和长寿命大功率的高温金属发 热丝的器件。具有体积小，功率大和热效率高等特点，同时也被证明是一种安全可靠的发热 方式。直接通电后，表面干点温度可以达到1200摄氏度，工作寿命长达5000小时以上。高温 金属发热丝材料包括，钨丝、钼丝以及各种钨钼合金丝等材料。
[0004] 目前，市场的氮化硅发热片材料多存在渗碳的现象，从外观看表面分布有大块黑 斑、黑块等现象，色泽不均匀。纯Si3N 4致密烧结材料的本色应为灰白色，现有产品大多存在 基体颜色发黑，表面均匀或不均匀分布小黑点，更有表面分布有大块黑斑、黑块等现象。这 主要是热压烧结过程中由于毛坯与石墨直接接触，碳元素沿着液相通道渗入，溶入液相中， 或与氮化硅发生反应产生的。碳元素的渗入会劣化材料的绝缘性能，降低安全性和可靠性。 同时由于热压烧结时间短，依靠机械压力强化致密效果，得到的材料存在晶界应力大、液相 晶化不充分的显微结构，影响基体材料的使用寿命。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种氮化硅发热体及其制备方 法，使用该方法所生产出的氮化硅发热体具有较高可靠性和安全性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是： 一种氮化硅发热体，它由发热源及发热本体组成，所述发热源为钨丝，所述发热本体以 氮化硅(Si3N4)、三氧化二铝(Al2〇3)、三氧化二钇(Y 203)、氮化铝(A1N)为原料，经配制研磨、 模压成型、高温烧结而成，以原料的总重量计，原料中名组分的重量份数为： 氮化硅（Si3N4) 80~95 三氧化二铝(AI2O3) 0.1~5 三氧化二钇(Y2〇3) 2~8 氮化铝(Α1Ν) 3~5 碳化硼(B4C) 1~3。
[0007] 作为对上述技术方案的改进，原料中名组分的重量份数为： 氮化硅(Si3N4) 90 三氧化二铝(AI2O3) 3 三氧化二钇(Y2〇3) 5 氮化铝(AIN) 4 碳化硼(B4C) 2。
[0008] 本发明另外提供了一种将上述配方的原料制成氮化硅发热体的制备方法，该制备 方法的步骤为： S1、将氮化硅粉料、三氧化二铝粉料、三氧化二钇粉料、氮化铝粉料、碳化硼粉料按各自 的重量份数进行配比混合，将混合料与高温液相助烧剂按重量比0.80~0.90:0.02~0.04 的比例置入无水乙醇中混合，混料研磨24~72小时后，经喷雾造粒制成配方料； S1、将所述配方料干压成型后，通过200~250MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压5 ~10分钟，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干； 54、 然后进行热压烧结，烧结压力20~50MPa，烧结温度1700~1950°C，保温时间1~5 小时，以制成毛坯； 55、 将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1200~1500 °C恒温10~24小时，然后自然冷却 至室温。
[0009] 作为对上述技术方案的改进，所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混 合后与无水乙醇调和成的稠状浆料;其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为:0.10: 0 · 90~1 · 00〇
[0010] 作为对上述技术方案的改进，所述步骤4中，在进行热压烧结时，采用的热压烧结 模具为热压石墨模具。
[0011] 作为对上述技术方案的改进，在采用热压石墨模具为热压烧结模具时，热压石墨 模具与毛坯的接触面上涂有一层所述氮化硼隔离层。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是： 本发明的氮化硅发热体，采用高纯氮化硅(Si3N4)粉体、少量高温液相助烧剂和三氧化 二铝粉料、三氧化二钇粉料、氮化铝粉料、碳化硼粉料组成，经过毛坯成型，热压烧结和高温 热处理后制成致密氮化硅基发热体。该发热体具有高强、高热导、高可靠性的特点。其中毛 坯表面具有氮化硼粉体(BN)涂层，该工艺消除了生产过程中碳元素的渗入。高温热处理工 艺消除了材料应力，促进了晶界玻璃相的结晶，大大提高了器件的可靠性和安全性。热压烧 结，三氧化二铝、三氧化二钇促进烧结同时，还在碳化硅界面处产生了第二相粒子，促进裂 纹偏转，且随第二相粒子体积分数的增大，碳化硅的断裂韧性增加，其弯曲强度可达586~ 650Mpa，断裂韧性为7 · 15~7 · 40 Mpa · m1/2。
[0013] ⑵本发明的氮化娃发热体的制作方法中，用无水乙醇(99. 9%纯度)作为介质，球 磨混合24~72小时，既保证了混料均匀，又降低了氧化现象。本发明的制作过程中不添加任 何高分子改性剂，而是依靠干压和冷等静压工艺制备高强度的毛坯。
[0014] (3)本发明中，毛坯表面均匀涂覆有BN隔离层，可阻止毛坯与石墨的直接接触，消 除了高温表面渗碳元素的可能。
[0015] (4)本发明在热压烧结后，氮化硅发热体的材料应力较大，在高温下退火处理10~ 24小时后缓慢降温到室温，可以消除材料的应力。另外，在高温处理过程中，使材料中的玻 璃相结晶，可进一步消除残余的碳元素并减少材料应力。（本发明的氮化硅发热基体含有高 纯氮化硅(Si3N4)粉体和少量高温液相助烧剂。初始基体原料和发热丝经过干压和冷等静压 制成毛坯，毛坯表面涂覆BN材料。毛坯在高温高压下热压烧结成毛坯。烧结毛坯高温热处理 工艺消除材料应力和结晶玻璃相，具有较高可靠性和安全性的特点。
[0016] 本发明配方的氮化硅发热体在热压条件下的显微结构和性能如下表所示：
【具体实施方式】
[0017] 下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然， 所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实 施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属 于本发明保护的范围。
[0018] 实施例1: S1、选取80重量份数的氮化娃粉料、0.1重量份数的三氧化二错粉料、2重量份数的三氧 化二纪粉料、3重量份数的氮化错粉料、1重量份数的碳化硼粉料进行配比混合，将混合料与 高温液相助烧剂按重量比0.80:0.02的比例置入无水乙醇中混合，混料研磨24小时后，经喷 雾造粒制成配方料； S1、将所述配方料干压成型后，通过200MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压5分钟， 以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干； 54、 将毛坯装在热压石墨模具然后进行热压烧结，热压石墨模具与毛坯的接触面上涂 有一层所述氮化硼隔离层；烧结压力20MPa，烧结温度1700°C，保温时间1小时，以制成毛 坯； 55、 将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1200°C恒温24小时，然后自然冷却至室温。
[0019] 所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠 状浆料;其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为:〇. 10:〇. 90。
[0020] 实施例2: S1、选取95重量份数的氮化娃粉料、5重量份数的三氧化二错粉料、8重量份数的三氧化 二?乙粉料、5重量份数的氮化错粉料、3重量份数的碳化硼粉料进行配比混合，将混合料与高 温液相助烧剂按重量比0.90:0.04的比例置入无水乙醇中混合，混料研磨72小时后，经喷雾 造粒制成配方料； S1、将所述配方料干压成型后，通过250MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压10分 钟，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干； 54、 将毛坯装在热压石墨模具然后进行热压烧结，热压石墨模具与毛坯的接触面上涂 有一层所述氮化硼隔离层；烧结压力50MPa，烧结温度1900°C，保温时间1小时，以制成毛 坯； 55、 将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1500°C恒温10小时，然后自然冷却至室温。
[0021]所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠 状浆料;其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为:〇. 10:1. 〇〇。
[0022] 实施例3: S1、选取90重量份数的氮化娃粉料、3重量份数的三氧化二错粉料、5重量份数的三氧化 二?乙粉料、4重量份数的氮化错粉料、2重量份数的碳化硼粉料进行配比混合，将混合料与高 温液相助烧剂按重量比0.90:0.04的比例置入无水乙醇中混合，混料研磨72小时后，经喷雾 造粒制成配方料； S1、将所述配方料干压成型后，通过220MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压8分钟， 以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干； 54、 将毛坯装在热压石墨模具然后进行热压烧结，热压石墨模具与毛坯的接触面上涂 有一层所述氮化硼隔离层；烧结压力40MPa，烧结温度1900°C，保温时间4小时，以制成毛 坯； 55、 将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1400°C恒温18小时，然后自然冷却至室温。
[0023]所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠 状浆料;其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量比例为:〇. 10:〇. 95。
[0024]上述三个实施例的氮化硅发热体在热压条件下的显微结构和性能如下表所示：
【主权项】
1. 一种氮化硅发热体，它由发热源及发热本体组成，所述发热源为钨丝，其特征在于： 所述发热本体以氮化硅(Si 3N4)、三氧化二铝(Al2〇3)、三氧化二钇(Y2〇3)、氮化铝(A1N)为原 料，经配制研磨、模压成型、高温烧结而成，以原料的总重量计，原料中名组分的重量份数 为： 氮化硅（Si3N4) 8〇~95 三氧化二铝(Al2〇3) 0.1~5 三氧化二钇(Y2O3) 2~8 氮化铝(Α1Ν) 3~5 碳化硼(Β4〇 1~3。2. 根据权利要求1所述的氮化硅发热体，其特征在于:原料中名组分的重量份数为： 氮化硅(Si3N4) 90 三氧化二铝(Al2〇3) 3 三氧化二钇(Y2O3) 5 氮化铝(A1N) 4 碳化硼(B4C) 2。3. -种如权利要求1或2所述氮化硅发热体的制备方法，其特征在于:该制备方法的步 骤为： S1、将氮化硅粉料、三氧化二铝粉料、三氧化二钇粉料、氮化铝粉料、碳化硼粉料按各自 的重量份数进行配比混合，将混合料与高温液相助烧剂按重量比〇. 80~0.90:0.02~0.04 的比例置入无水乙醇中混合，混料研磨24~72小时后，经喷雾造粒制成配方料； S1、将所述配方料干压成型后，通过200~250MPa的冷等静压进一步压制成型，并保压5 ~10分钟，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均匀涂覆一层氮化硼隔离层后烘干； 54、 然后进行热压烧结，烧结压力20~50MPa，烧结温度1700~1950°C，保温时间1~5 小时，以制成毛坯； 55、 将所述毛坯放入真空气氛炉中，保持1200~1500°C恒温10~24小时，然后自然冷却 至室温。4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:所述氮化硼隔离层是由氮化硼粉料和 氮化硅粉料混合后与无水乙醇调和成的稠状浆料;其中，氮化硅粉料与氮化硼粉料的重量 比例为:0.10:0.90 ~1.00。5. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:所述步骤4中，在进行热压烧结时，采 用的热压烧结模具为热压石墨模具。6. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:在采用热压石墨模具为热压烧结模具 时，热压石墨模具与毛坯的接触面上涂有一层所述氮化硼隔离层。
【文档编号】C04B41/87GK105936595SQ201510841326
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年11月28日
【发明人】曾小锋, 李勇全
【申请人】衡阳凯新特种材料科技有限公司