一種Ti/AlN金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Ti/AlN金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過對(duì)原料中鈦粉、氮化鋁粉、鋁粉和碳化硅粉含量配比進(jìn)行限定，對(duì)生坯的制備方式進(jìn)行限定，對(duì)燒結(jié)溫度、壓力和保溫時(shí)間進(jìn)行限定，從而制備出Ti/AlN金屬陶瓷復(fù)合材料；Ti/AlN金屬陶瓷復(fù)合材料的物相組成除了Ti和AlN還有Ti2AlN、Ti3Al2N2和Ti3AlN等Ti?Al?N固溶體，增加了其力學(xué)性能和電學(xué)性能。
【專利說明】
一種T i/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
[0001 ]
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種Ti/ΑΙΝ金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬陶瓷復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]AlN陶瓷由于其優(yōu)良的熱、電、力學(xué)性能，已成為當(dāng)今世界最為理想的基板材料和電子器件封裝材料，因此成為電子器材材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對(duì)象。氮化鋁陶瓷具有很好的高溫強(qiáng)度，較小的膨脹系數(shù)，以及導(dǎo)熱性較好的特性，利用這些特性能用作高溫結(jié)構(gòu)件的熱交換器材料等。利用氮化鋁陶瓷具有耐鋁、鐵等金屬及其合金的溶蝕性的特性，因此可以用作Ag、Al、Cu、Pb等金屬模具澆鑄材料和熔煉的坩禍。但是純的AlN陶瓷的封裝性能并不能夠滿足人們對(duì)它的要求，而且純的AlN陶瓷應(yīng)用也比較少。為了提高AlN的性能，提高其作為封裝材料的封裝水平，通常在AlN中加入金屬相來達(dá)到人們的要求。
[0003]為了讓AlN陶瓷得到更加廣泛的應(yīng)用，可以通過對(duì)其金屬化，在陶瓷的表面生成具有較強(qiáng)鍵合能力的合金或者化合物，使得陶瓷和金屬材料之間有很強(qiáng)的粘合力。鈦是變價(jià)活性金屬，與多種陶瓷材料有較強(qiáng)的鍵合能力。國內(nèi)外有很多研究者用TEM、AEM、AES、XPS等方法對(duì)有關(guān)Ti/ AlN的界面反應(yīng)問題進(jìn)行研究，Ti/AIN是一種新興的材料，它是在AlN的基礎(chǔ)上，通過加入熔點(diǎn)高、抗氧化性好、質(zhì)輕的Ti，在高溫的條件下熱壓燒結(jié)，來生成Ti/AIN陶瓷復(fù)合材料以提高AlN陶瓷作為封裝材料的黏結(jié)性，擴(kuò)大其在電子器材封裝材料方面的應(yīng)用。然而，因?yàn)椴煌难芯糠椒ê蛯?shí)驗(yàn)條件，因此得到的復(fù)合材料，彼此之間存在較大的差另IJ，往往力學(xué)性能和電學(xué)性能不是很好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明在現(xiàn)有的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法上進(jìn)行改進(jìn)，主要利用冷等靜壓和熱壓的制備工藝;采用該制備工藝制備的Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和導(dǎo)電性。
[0005]本發(fā)明中的納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷材料的制備方法，包括下述步驟:
(1)制備Ti/AIN復(fù)合材料的生坯
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合(鋁粉和碳化硅粉為燒結(jié)助劑)，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯；
(2)燒結(jié)生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa條件下燒結(jié)l-2h，得產(chǎn)品;升溫速度為10°C/分鐘。
[0006]本發(fā)明的方法，步驟(I)中，原料中各個(gè)組分含量的控制會(huì)極大影響復(fù)合材料的相組成和微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能產(chǎn)生較大影響。采用本發(fā)明的原料配比和生坯制備方法所制備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，主晶相為鈦、氮化鋁和鈦鋁氮固溶體。步驟(2)中，溫度的控制、壓力的控制、燒結(jié)時(shí)間、升溫速度的改變，對(duì)燒結(jié)過程中氮氧化鋁反應(yīng)生成及燒結(jié)過程具有顯著影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品的最終性能。本發(fā)明所采用的燒結(jié)工藝，所制備的產(chǎn)品相成分主要為鈦、氮化鋁和鈦鋁氮固溶體，結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能優(yōu)異。
[0007]本發(fā)明通過對(duì)原料配比進(jìn)行限定，對(duì)燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、燒結(jié)時(shí)間進(jìn)行限定，從而使鈦粉、氮化鋁粉、鋁粉和碳化硅粉粉體在燒結(jié)過程中達(dá)到致密燒結(jié)；由于鈦和氮化鋁在高溫下發(fā)生元素?cái)U(kuò)散和固溶反應(yīng)生成鈦鋁氮的固溶體(Ti2AlN、Ti3Al2N2和Ti3AlN),固溶體的存在提高了金屬相鈦和陶瓷相氮化鋁的結(jié)合力，進(jìn)而提高氮氧化鋁陶瓷材料的力學(xué)性能。本發(fā)明制備的Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料，相對(duì)密度為85.95-97.66 %;抗彎強(qiáng)度為150.78-212.93 MPa;斷裂韌性為:2.47-3.88 MPa.m1/2;顯微硬度為7.61-11.48 GPa;電阻率為5.07-10.21 Ω -mo
[0008]上述制備工藝方法，優(yōu)選參數(shù)為:
鈦粉、氮化鋁粉、鋁粉和碳化硅粉的質(zhì)量比為2:1: 0.3: 0.3;生坯的制備方式為干壓壓力1MPa和冷等靜壓Ih壓力為300MPa;燒結(jié)工藝為真空熱壓1350°C、30MPa保溫1.5h;其相對(duì)密度為97.66 %;抗彎強(qiáng)度為212.93 MPa;斷裂韌性為3.88 MPa.mV2;顯微硬度為11.48GPa;電阻率為5.07 Ω.mo
[0009]
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性在于:
本發(fā)明相較于其他燒結(jié)工藝制備的Ti/AIN復(fù)合材料有優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)綜合性能；
由于鈦鋁氮固溶體的存在，可很好地降低體系燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)，節(jié)約燒結(jié)時(shí)間，降低成本；
鈦鋁氮固溶體的存在提高了金屬相鈦和陶瓷相氮化鋁的結(jié)合力，進(jìn)而提高氮氧化鋁陶瓷材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能。
【附圖說明】
[0010]圖1為實(shí)施例1中Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的XRD圖譜；
圖2為實(shí)施例1中Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的斷面低倍SEM圖；
圖3為實(shí)施例1中Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的斷面高倍SEM圖；
圖4為實(shí)施例1中Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的斷面EDS圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施例1
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為him)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合(鋁粉和碳化硅粉為燒結(jié)助劑)，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、1350°C、30MPa條件下燒結(jié)1.5h，得產(chǎn)品；升溫速度為10 °C/分鐘。其相對(duì)密度為97.66%;抗彎強(qiáng)度為212.93MPa ；斷裂韌性為3.88MPa.m1/2 ；顯微硬度為11.48GPa ；電阻率為5.07 Ω.m。圖1中為制得的Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料的樣品XRD圖譜，其物相組成主要為T1、AlN以及T1-Al-N固溶體；圖2和圖3為樣品斷面的SEM圖片，金屬相Ti和陶瓷相AlN結(jié)合緊密，基本實(shí)現(xiàn)了致密化燒結(jié)，且發(fā)現(xiàn)了部分層片狀結(jié)構(gòu)晶粒；圖4為Ti/AIN金屬陶瓷復(fù)合材料斷面處層片狀晶粒的SEM和EDS能譜圖，可以確定為T1-Al-N的固溶體，進(jìn)而提高金屬相Ti和陶瓷相AlN的結(jié)合力，在其界面處形成過渡組織，從而提高了其力學(xué)性能。
[0012]實(shí)施例2
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合(鋁粉和碳化硅粉為燒結(jié)助劑)，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、14500C、20MPa條件下燒結(jié)Ih，得產(chǎn)品；升溫速度為10 °C/分鐘。其相對(duì)密度為95.24% ；抗彎強(qiáng)度為181.98MPa ；斷裂韌性為:3.12MPa.m1/2 ；顯微硬度為9.97GPa ；電阻率為7.32 Ω.πι。
[0013]實(shí)施例3
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合(鋁粉和碳化硅粉為燒結(jié)助劑)，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、12500C、50MPa條件下燒結(jié)2h，得產(chǎn)品；升溫速度為10 °C/分鐘。其相對(duì)密度為92.41%;抗彎強(qiáng)度為175.63MPa ；斷裂韌性為2.88MPa-m1/2 ；顯微硬度為8.98GPa ；電阻率為8.69 Ω.m0
[0014]實(shí)施例4
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合(鋁粉和碳化硅粉為燒結(jié)助劑)，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、12500C、20MPa條件下燒結(jié)Ih，得產(chǎn)品；升溫速度為10 °C/分鐘。其相對(duì)密度為85.95%;抗彎強(qiáng)度為150.7810^;斷裂韌性為2.471^.1111/2;顯微硬度為7.616?&;電阻率為 10.21 Ω.πι。
[0015]對(duì)比例I
將鈦粉(平均粒徑為5mi)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)和無水乙醇按照2:1: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料；隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?七%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120 °C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯;生坯于真空、13500C、30MPa條件下燒結(jié)1.5h，得產(chǎn)品；升溫速度為10°C/分鐘。得到的Ti/AlN金屬陶瓷復(fù)合材料未觀察到明顯地T1-Al-N固溶體及氣層片狀結(jié)構(gòu)，其相對(duì)密度為82.31%;抗彎強(qiáng)度為189.78MPa ；斷裂韌性為2.8IMPa.m1/2 ；顯微硬度為8.96GPa；電阻率為8.23Ω *m0
[0016]對(duì)比例2
將鈦粉(平均粒徑為5WI1)、氮化鋁粉體(平均粒徑為Ιμπι)、鋁粉(平均粒徑為Ιμπι)、碳化硅粉(平均粒徑為0.8μπι)和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料;隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1?丨%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉體；混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過Pjqf3OOMPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/AIN的生坯；于真空、1000°C、20MPa條件下燒結(jié)I h，取出時(shí)樣品斷裂，未實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Ti/ΑΙΝ金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于，采用如下步驟制備而成: 1)制備Ti/ΑΙΝ復(fù)合材料的生坯 將平均粒徑為5μπι鈦粉、平均粒徑為Iym氮化鋁粉體、平均粒徑為Iwii鋁粉、平均粒徑為.0.8μπι碳化硅粉和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料；隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為I?丨%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/ΑΙΝ的生坯； 2)燒結(jié) 生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa條件下燒結(jié)l-2h，得Ti/ΑΙΝ金屬陶瓷復(fù)合材料;升溫速度為10 °C/分鐘。2.—種權(quán)利要求1所述的Ti/ΑΙΝ金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)制備Ti/ΑΙΝ復(fù)合材料的生坯 將平均粒徑為5μπι鈦粉、平均粒徑為Iym氮化鋁粉體、平均粒徑為Iwii鋁粉、平均粒徑為.0.8μπι碳化硅粉和無水乙醇按照2:1: 0.3: 0.3: 20的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散20分鐘得到混合漿料；隨后將混合漿料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小時(shí)，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為I?丨%聚乙二醇;球磨后的漿料放入真空干燥箱中在120°C下干燥2h得混合粉體;混合粉體放入直徑為45mm的模具中在1MPa壓力下得到生坯，生坯再經(jīng)過I小時(shí)300MPa的冷等靜壓成型最終得到Ti/ΑΙΝ的生坯； 2)燒結(jié) 生坯于真空、1250-1450 °C、20-50MPa條件下燒結(jié)l-2h，得Ti/ΑΙΝ金屬陶瓷復(fù)合材料;升溫速度為I (TC/分鐘。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK105838920SQ201610175079
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】李慶剛, 王志, 吳超, 黃世峰, 程新
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)