一種氮化硅發熱體及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種氮化硅發熱體及其制備方法，該氮化硅發熱體由發熱源及發熱本體組成，所述發熱源為鎢絲，所述發熱本體以氮化硅(Si3N4)、三氧化二鋁（A1203)、三氧化二釔（Y203）、氮化鋁（A1N）為原料，經配制研磨、模壓成型、高溫燒結的制備方法制備而成，以原料的總重量計，原料中名組分的重量份數為：氮化硅(Si3N4)80～95、三氧化二鋁（A1203)0.1～5、三氧化二釔（Y203）、2～8氮化鋁（A1N）3～5。使用該方法所生產出的氮化硅發熱體具有較高可靠性和安全性，斷裂韌性增加，彎曲強度增加。
【專利說明】
一種氮化硅發熱體及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電熱元件技術領域，具體地說涉及一種氮化硅發熱體及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 氮化硅是一種共價鍵陶瓷，純Si3N^v體無法燒結，必須添加少量助燒劑在高溫形 成液相，進行液相燒結，才能得到性能優異的氮化硅材料。常用的添加劑包括:Al 203、Mg0、 Si〇2等金屬氧化物、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 能氮化硅陶瓷具有絕緣、高強、耐高溫、耐氧化、耐熱沖擊和高導熱性等優異的電學、熱學和 力學性能。
[0003] 氮化硅發熱片是一種結合高性能氮化硅陶瓷基體和長壽命大功率的高溫金屬發 熱絲的器件。具有體積小，功率大和熱效率高等特點，同時也被證明是一種安全可靠的發熱 方式。直接通電后，表面干點溫度可以達到1200攝氏度，工作壽命長達5000小時以上。高溫 金屬發熱絲材料包括，鎢絲、鉬絲以及各種鎢鉬合金絲等材料。
[0004] 目前，市場的氮化硅發熱片材料多存在滲碳的現象，從外觀看表面分布有大塊黑 斑、黑塊等現象，色澤不均勻。純Si3N 4致密燒結材料的本色應為灰白色，現有產品大多存在 基體顏色發黑，表面均勻或不均勻分布小黑點，更有表面分布有大塊黑斑、黑塊等現象。這 主要是熱壓燒結過程中由于毛坯與石墨直接接觸，碳元素沿著液相通道滲入，溶入液相中， 或與氮化硅發生反應產生的。碳元素的滲入會劣化材料的絕緣性能，降低安全性和可靠性。 同時由于熱壓燒結時間短，依靠機械壓力強化致密效果，得到的材料存在晶界應力大、液相 晶化不充分的顯微結構，影響基體材料的使用壽命。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于針對上述現有技術的缺陷，提供一種氮化硅發熱體及其制備方 法，使用該方法所生產出的氮化硅發熱體具有較高可靠性和安全性。
[0006] 為了實現上述目的，本發明的技術方案是： 一種氮化硅發熱體，它由發熱源及發熱本體組成，所述發熱源為鎢絲，所述發熱本體以 氮化硅(Si3N4)、三氧化二鋁(Al2〇3)、三氧化二釔(Y 203)、氮化鋁(A1N)為原料，經配制研磨、 模壓成型、高溫燒結而成，以原料的總重量計，原料中名組分的重量份數為： 氮化硅（Si3N4) 80~95 三氧化二鋁(AI2O3) 0.1~5 三氧化二釔(Y2〇3) 2~8 氮化鋁(Α1Ν) 3~5 碳化硼(B4C) 1~3。
[0007] 作為對上述技術方案的改進，原料中名組分的重量份數為： 氮化硅(Si3N4) 90 三氧化二鋁(AI2O3) 3 三氧化二釔(Y2〇3) 5 氮化鋁(AIN) 4 碳化硼(B4C) 2。
[0008] 本發明另外提供了一種將上述配方的原料制成氮化硅發熱體的制備方法，該制備 方法的步驟為： S1、將氮化硅粉料、三氧化二鋁粉料、三氧化二釔粉料、氮化鋁粉料、碳化硼粉料按各自 的重量份數進行配比混合，將混合料與高溫液相助燒劑按重量比0.80~0.90:0.02~0.04 的比例置入無水乙醇中混合，混料研磨24~72小時后，經噴霧造粒制成配方料； S1、將所述配方料干壓成型后，通過200~250MPa的冷等靜壓進一步壓制成型，并保壓5 ~10分鐘，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均勻涂覆一層氮化硼隔離層后烘干； 54、 然后進行熱壓燒結，燒結壓力20~50MPa，燒結溫度1700~1950°C，保溫時間1~5 小時，以制成毛坯； 55、 將所述毛坯放入真空氣氛爐中，保持1200~1500 °C恒溫10~24小時，然后自然冷卻 至室溫。
[0009] 作為對上述技術方案的改進，所述氮化硼隔離層是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混 合后與無水乙醇調和成的稠狀漿料;其中，氮化硅粉料與氮化硼粉料的重量比例為:0.10: 0 · 90~1 · 00〇
[0010] 作為對上述技術方案的改進，所述步驟4中，在進行熱壓燒結時，采用的熱壓燒結 模具為熱壓石墨模具。
[0011] 作為對上述技術方案的改進，在采用熱壓石墨模具為熱壓燒結模具時，熱壓石墨 模具與毛坯的接觸面上涂有一層所述氮化硼隔離層。
[0012] 與現有技術相比，本發明具有的優點和積極效果是： 本發明的氮化硅發熱體，采用高純氮化硅(Si3N4)粉體、少量高溫液相助燒劑和三氧化 二鋁粉料、三氧化二釔粉料、氮化鋁粉料、碳化硼粉料組成，經過毛坯成型，熱壓燒結和高溫 熱處理后制成致密氮化硅基發熱體。該發熱體具有高強、高熱導、高可靠性的特點。其中毛 坯表面具有氮化硼粉體(BN)涂層，該工藝消除了生產過程中碳元素的滲入。高溫熱處理工 藝消除了材料應力，促進了晶界玻璃相的結晶，大大提高了器件的可靠性和安全性。熱壓燒 結，三氧化二鋁、三氧化二釔促進燒結同時，還在碳化硅界面處產生了第二相粒子，促進裂 紋偏轉，且隨第二相粒子體積分數的增大，碳化硅的斷裂韌性增加，其彎曲強度可達586~ 650Mpa，斷裂韌性為7 · 15~7 · 40 Mpa · m1/2。
[0013] ⑵本發明的氮化娃發熱體的制作方法中，用無水乙醇(99. 9%純度)作為介質，球 磨混合24~72小時，既保證了混料均勻，又降低了氧化現象。本發明的制作過程中不添加任 何高分子改性劑，而是依靠干壓和冷等靜壓工藝制備高強度的毛坯。
[0014] (3)本發明中，毛坯表面均勻涂覆有BN隔離層，可阻止毛坯與石墨的直接接觸，消 除了高溫表面滲碳元素的可能。
[0015] (4)本發明在熱壓燒結后，氮化硅發熱體的材料應力較大，在高溫下退火處理10~ 24小時后緩慢降溫到室溫，可以消除材料的應力。另外，在高溫處理過程中，使材料中的玻 璃相結晶，可進一步消除殘余的碳元素并減少材料應力。（本發明的氮化硅發熱基體含有高 純氮化硅(Si3N4)粉體和少量高溫液相助燒劑。初始基體原料和發熱絲經過干壓和冷等靜壓 制成毛坯，毛坯表面涂覆BN材料。毛坯在高溫高壓下熱壓燒結成毛坯。燒結毛坯高溫熱處理 工藝消除材料應力和結晶玻璃相，具有較高可靠性和安全性的特點。
[0016] 本發明配方的氮化硅發熱體在熱壓條件下的顯微結構和性能如下表所示：
【具體實施方式】
[0017] 下面將結合本發明的實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然， 所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實 施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬 于本發明保護的范圍。
[0018] 實施例1: S1、選取80重量份數的氮化娃粉料、0.1重量份數的三氧化二錯粉料、2重量份數的三氧 化二紀粉料、3重量份數的氮化錯粉料、1重量份數的碳化硼粉料進行配比混合，將混合料與 高溫液相助燒劑按重量比0.80:0.02的比例置入無水乙醇中混合，混料研磨24小時后，經噴 霧造粒制成配方料； S1、將所述配方料干壓成型后，通過200MPa的冷等靜壓進一步壓制成型，并保壓5分鐘， 以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均勻涂覆一層氮化硼隔離層后烘干； 54、 將毛坯裝在熱壓石墨模具然后進行熱壓燒結，熱壓石墨模具與毛坯的接觸面上涂 有一層所述氮化硼隔離層；燒結壓力20MPa，燒結溫度1700°C，保溫時間1小時，以制成毛 坯； 55、 將所述毛坯放入真空氣氛爐中，保持1200°C恒溫24小時，然后自然冷卻至室溫。
[0019] 所述氮化硼隔離層是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后與無水乙醇調和成的稠 狀漿料;其中，氮化硅粉料與氮化硼粉料的重量比例為:〇. 10:〇. 90。
[0020] 實施例2: S1、選取95重量份數的氮化娃粉料、5重量份數的三氧化二錯粉料、8重量份數的三氧化 二?乙粉料、5重量份數的氮化錯粉料、3重量份數的碳化硼粉料進行配比混合，將混合料與高 溫液相助燒劑按重量比0.90:0.04的比例置入無水乙醇中混合，混料研磨72小時后，經噴霧 造粒制成配方料； S1、將所述配方料干壓成型后，通過250MPa的冷等靜壓進一步壓制成型，并保壓10分 鐘，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均勻涂覆一層氮化硼隔離層后烘干； 54、 將毛坯裝在熱壓石墨模具然后進行熱壓燒結，熱壓石墨模具與毛坯的接觸面上涂 有一層所述氮化硼隔離層；燒結壓力50MPa，燒結溫度1900°C，保溫時間1小時，以制成毛 坯； 55、 將所述毛坯放入真空氣氛爐中，保持1500°C恒溫10小時，然后自然冷卻至室溫。
[0021]所述氮化硼隔離層是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后與無水乙醇調和成的稠 狀漿料;其中，氮化硅粉料與氮化硼粉料的重量比例為:〇. 10:1. 〇〇。
[0022] 實施例3: S1、選取90重量份數的氮化娃粉料、3重量份數的三氧化二錯粉料、5重量份數的三氧化 二?乙粉料、4重量份數的氮化錯粉料、2重量份數的碳化硼粉料進行配比混合，將混合料與高 溫液相助燒劑按重量比0.90:0.04的比例置入無水乙醇中混合，混料研磨72小時后，經噴霧 造粒制成配方料； S1、將所述配方料干壓成型后，通過220MPa的冷等靜壓進一步壓制成型，并保壓8分鐘， 以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均勻涂覆一層氮化硼隔離層后烘干； 54、 將毛坯裝在熱壓石墨模具然后進行熱壓燒結，熱壓石墨模具與毛坯的接觸面上涂 有一層所述氮化硼隔離層；燒結壓力40MPa，燒結溫度1900°C，保溫時間4小時，以制成毛 坯； 55、 將所述毛坯放入真空氣氛爐中，保持1400°C恒溫18小時，然后自然冷卻至室溫。
[0023]所述氮化硼隔離層是由氮化硼粉料和氮化硅粉料混合后與無水乙醇調和成的稠 狀漿料;其中，氮化硅粉料與氮化硼粉料的重量比例為:〇. 10:〇. 95。
[0024]上述三個實施例的氮化硅發熱體在熱壓條件下的顯微結構和性能如下表所示：
【主權項】
1. 一種氮化硅發熱體，它由發熱源及發熱本體組成，所述發熱源為鎢絲，其特征在于： 所述發熱本體以氮化硅(Si 3N4)、三氧化二鋁(Al2〇3)、三氧化二釔(Y2〇3)、氮化鋁(A1N)為原 料，經配制研磨、模壓成型、高溫燒結而成，以原料的總重量計，原料中名組分的重量份數 為： 氮化硅（Si3N4) 8〇~95 三氧化二鋁(Al2〇3) 0.1~5 三氧化二釔(Y2O3) 2~8 氮化鋁(Α1Ν) 3~5 碳化硼(Β4〇 1~3。2. 根據權利要求1所述的氮化硅發熱體，其特征在于:原料中名組分的重量份數為： 氮化硅(Si3N4) 90 三氧化二鋁(Al2〇3) 3 三氧化二釔(Y2O3) 5 氮化鋁(A1N) 4 碳化硼(B4C) 2。3. -種如權利要求1或2所述氮化硅發熱體的制備方法，其特征在于:該制備方法的步 驟為： S1、將氮化硅粉料、三氧化二鋁粉料、三氧化二釔粉料、氮化鋁粉料、碳化硼粉料按各自 的重量份數進行配比混合，將混合料與高溫液相助燒劑按重量比〇. 80~0.90:0.02~0.04 的比例置入無水乙醇中混合，混料研磨24~72小時后，經噴霧造粒制成配方料； S1、將所述配方料干壓成型后，通過200~250MPa的冷等靜壓進一步壓制成型，并保壓5 ~10分鐘，以制成毛坯； 53、 在所述毛坯表面均勻涂覆一層氮化硼隔離層后烘干； 54、 然后進行熱壓燒結，燒結壓力20~50MPa，燒結溫度1700~1950°C，保溫時間1~5 小時，以制成毛坯； 55、 將所述毛坯放入真空氣氛爐中，保持1200~1500°C恒溫10~24小時，然后自然冷卻 至室溫。4. 根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述氮化硼隔離層是由氮化硼粉料和 氮化硅粉料混合后與無水乙醇調和成的稠狀漿料;其中，氮化硅粉料與氮化硼粉料的重量 比例為:0.10:0.90 ~1.00。5. 根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述步驟4中，在進行熱壓燒結時，采 用的熱壓燒結模具為熱壓石墨模具。6. 根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:在采用熱壓石墨模具為熱壓燒結模具 時，熱壓石墨模具與毛坯的接觸面上涂有一層所述氮化硼隔離層。
【文檔編號】C04B41/87GK105936595SQ201510841326
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年11月28日
【發明人】曾小鋒, 李勇全
【申請人】衡陽凱新特種材料科技有限公司