一种Ti/AlN金属陶瓷复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种Ti/AlN金属陶瓷复合材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料制备技术领域。本发明通过对原料中钛粉、氮化铝粉、铝粉和碳化硅粉含量配比进行限定，对生坯的制备方式进行限定，对烧结温度、压力和保温时间进行限定，从而制备出Ti/AlN金属陶瓷复合材料；Ti/AlN金属陶瓷复合材料的物相组成除了Ti和AlN还有Ti2AlN、Ti3Al2N2和Ti3AlN等Ti?Al?N固溶体，增加了其力学性能和电学性能。
【专利说明】
一种T i/AIN金属陶瓷复合材料及其制备方法
[0001 ]
技术领域
本发明涉及一种Ti/ΑΙΝ金属陶瓷复合材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料领域。
【背景技术】
[0002]AlN陶瓷由于其优良的热、电、力学性能，已成为当今世界最为理想的基板材料和电子器件封装材料，因此成为电子器材材料领域的热点研究对象。氮化铝陶瓷具有很好的高温强度，较小的膨胀系数，以及导热性较好的特性，利用这些特性能用作高温结构件的热交换器材料等。利用氮化铝陶瓷具有耐铝、铁等金属及其合金的溶蚀性的特性，因此可以用作Ag、Al、Cu、Pb等金属模具浇铸材料和熔炼的坩祸。但是纯的AlN陶瓷的封装性能并不能够满足人们对它的要求，而且纯的AlN陶瓷应用也比较少。为了提高AlN的性能，提高其作为封装材料的封装水平，通常在AlN中加入金属相来达到人们的要求。
[0003]为了让AlN陶瓷得到更加广泛的应用，可以通过对其金属化，在陶瓷的表面生成具有较强键合能力的合金或者化合物，使得陶瓷和金属材料之间有很强的粘合力。钛是变价活性金属，与多种陶瓷材料有较强的键合能力。国内外有很多研究者用TEM、AEM、AES、XPS等方法对有关Ti/ AlN的界面反应问题进行研究，Ti/AIN是一种新兴的材料，它是在AlN的基础上，通过加入熔点高、抗氧化性好、质轻的Ti，在高温的条件下热压烧结，来生成Ti/AIN陶瓷复合材料以提高AlN陶瓷作为封装材料的黏结性，扩大其在电子器材封装材料方面的应用。然而，因为不同的研究方法和实验条件，因此得到的复合材料，彼此之间存在较大的差另IJ，往往力学性能和电学性能不是很好。
【发明内容】
[0004]为了解决以上技术问题，本发明提供了一种Ti/AIN金属陶瓷复合材料的制备方法。本发明在现有的金属陶瓷复合材料的制备方法上进行改进，主要利用冷等静压和热压的制备工艺;采用该制备工艺制备的Ti/AIN金属陶瓷复合材料，具有良好的微观结构、力学性能和导电性。
[0005]本发明中的纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤:
(1)制备Ti/AIN复合材料的生坯
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合(铝粉和碳化硅粉为烧结助剂)，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯；
(2)烧结生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa条件下烧结l-2h，得产品;升温速度为10°C/分钟。
[0006]本发明的方法，步骤(I)中，原料中各个组分含量的控制会极大影响复合材料的相组成和微观结构，进而对复合材料的各项性能产生较大影响。采用本发明的原料配比和生坯制备方法所制备的复合材料结构致密，主晶相为钛、氮化铝和钛铝氮固溶体。步骤(2)中，温度的控制、压力的控制、烧结时间、升温速度的改变，对烧结过程中氮氧化铝反应生成及烧结过程具有显著影响，进而影响产品的最终性能。本发明所采用的烧结工艺，所制备的产品相成分主要为钛、氮化铝和钛铝氮固溶体，结构致密，力学性能优异。
[0007]本发明通过对原料配比进行限定，对烧结温度、烧结压力、烧结时间进行限定，从而使钛粉、氮化铝粉、铝粉和碳化硅粉粉体在烧结过程中达到致密烧结；由于钛和氮化铝在高温下发生元素扩散和固溶反应生成钛铝氮的固溶体(Ti2AlN、Ti3Al2N2和Ti3AlN),固溶体的存在提高了金属相钛和陶瓷相氮化铝的结合力，进而提高氮氧化铝陶瓷材料的力学性能。本发明制备的Ti/AIN金属陶瓷复合材料，相对密度为85.95-97.66 %;抗弯强度为150.78-212.93 MPa;断裂韧性为:2.47-3.88 MPa.m1/2;显微硬度为7.61-11.48 GPa;电阻率为5.07-10.21 Ω -mo
[0008]上述制备工艺方法，优选参数为:
钛粉、氮化铝粉、铝粉和碳化硅粉的质量比为2:1: 0.3: 0.3;生坯的制备方式为干压压力1MPa和冷等静压Ih压力为300MPa;烧结工艺为真空热压1350°C、30MPa保温1.5h;其相对密度为97.66 %;抗弯强度为212.93 MPa;断裂韧性为3.88 MPa.mV2;显微硬度为11.48GPa;电阻率为5.07 Ω.mo
[0009]
本发明相比现有技术的优越性在于:
本发明相较于其他烧结工艺制备的Ti/AIN复合材料有优异的力学和电学综合性能；
由于钛铝氮固溶体的存在，可很好地降低体系烧结温度，促进烧结，节约烧结时间，降低成本；
钛铝氮固溶体的存在提高了金属相钛和陶瓷相氮化铝的结合力，进而提高氮氧化铝陶瓷材料的力学性能和电学性能。
【附图说明】
[0010]图1为实施例1中Ti/AIN金属陶瓷复合材料的XRD图谱；
图2为实施例1中Ti/AIN金属陶瓷复合材料的断面低倍SEM图；
图3为实施例1中Ti/AIN金属陶瓷复合材料的断面高倍SEM图；
图4为实施例1中Ti/AIN金属陶瓷复合材料的断面EDS图。
【具体实施方式】
[0011]实施例1
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为him)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合(铝粉和碳化硅粉为烧结助剂)，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、1350°C、30MPa条件下烧结1.5h，得产品；升温速度为10 °C/分钟。其相对密度为97.66%;抗弯强度为212.93MPa ；断裂韧性为3.88MPa.m1/2 ；显微硬度为11.48GPa ；电阻率为5.07 Ω.m。图1中为制得的Ti/AIN金属陶瓷复合材料的样品XRD图谱，其物相组成主要为T1、AlN以及T1-Al-N固溶体；图2和图3为样品断面的SEM图片，金属相Ti和陶瓷相AlN结合紧密，基本实现了致密化烧结，且发现了部分层片状结构晶粒；图4为Ti/AIN金属陶瓷复合材料断面处层片状晶粒的SEM和EDS能谱图，可以确定为T1-Al-N的固溶体，进而提高金属相Ti和陶瓷相AlN的结合力，在其界面处形成过渡组织，从而提高了其力学性能。
[0012]实施例2
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合(铝粉和碳化硅粉为烧结助剂)，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、14500C、20MPa条件下烧结Ih，得产品；升温速度为10 °C/分钟。其相对密度为95.24% ；抗弯强度为181.98MPa ；断裂韧性为:3.12MPa.m1/2 ；显微硬度为9.97GPa ；电阻率为7.32 Ω.πι。
[0013]实施例3
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合(铝粉和碳化硅粉为烧结助剂)，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、12500C、50MPa条件下烧结2h，得产品；升温速度为10 °C/分钟。其相对密度为92.41%;抗弯强度为175.63MPa ；断裂韧性为2.88MPa-m1/2 ；显微硬度为8.98GPa ；电阻率为8.69 Ω.m0
[0014]实施例4
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合(铝粉和碳化硅粉为烧结助剂)，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、12500C、20MPa条件下烧结Ih，得产品；升温速度为10 °C/分钟。其相对密度为85.95%;抗弯强度为150.7810^;断裂韧性为2.471^.1111/2;显微硬度为7.616?&;电阻率为 10.21 Ω.πι。
[0015]对比例I
将钛粉(平均粒径为5mi)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)和无水乙醇按照2:1: 20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?七%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、13500C、30MPa条件下烧结1.5h，得产品；升温速度为10°C/分钟。得到的Ti/AlN金属陶瓷复合材料未观察到明显地T1-Al-N固溶体及气层片状结构，其相对密度为82.31%;抗弯强度为189.78MPa ；断裂韧性为2.8IMPa.m1/2 ；显微硬度为8.96GPa；电阻率为8.23Ω *m0
[0016]对比例2
将钛粉(平均粒径为5WI1)、氮化铝粉体(平均粒径为Ιμπι)、铝粉(平均粒径为Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒径为0.8μπι)和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料;随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1?丨%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉体；混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过Pjqf3OOMPa的冷等静压成型最终得到Ti/AIN的生坯；于真空、1000°C、20MPa条件下烧结I h，取出时样品断裂，未实现烧结。
【主权项】
1.一种Ti/ΑΙΝ金属陶瓷复合材料，其特征在于，采用如下步骤制备而成: 1)制备Ti/ΑΙΝ复合材料的生坯 将平均粒径为5μπι钛粉、平均粒径为Iym氮化铝粉体、平均粒径为Iwii铝粉、平均粒径为.0.8μπι碳化硅粉和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为I?丨%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/ΑΙΝ的生坯； 2)烧结 生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa条件下烧结l-2h，得Ti/ΑΙΝ金属陶瓷复合材料;升温速度为10 °C/分钟。2.—种权利要求1所述的Ti/ΑΙΝ金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)制备Ti/ΑΙΝ复合材料的生坯 将平均粒径为5μπι钛粉、平均粒径为Iym氮化铝粉体、平均粒径为Iwii铝粉、平均粒径为.0.8μπι碳化硅粉和无水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为氧化铝球，分散剂为I?丨%聚乙二醇;球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉体;混合粉体放入直径为45mm的模具中在1MPa压力下得到生坯，生坯再经过I小时300MPa的冷等静压成型最终得到Ti/ΑΙΝ的生坯； 2)烧结 生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa条件下烧结l-2h，得Ti/ΑΙΝ金属陶瓷复合材料;升温速度为I (TC/分钟。
【文档编号】C22C1/05GK105838920SQ201610175079
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】李庆刚, 王志, 吴超, 黄世峰, 程新
【申请人】济南大学