氮化硅复合材料及其制备方法、发热体与流程

本发明涉及氮化硅材料制备技术领域，特别是涉及一种氮化硅复合材料及其制备方法、发热体。

背景技术：

发热体是将电能转化为热能的重要介质，通常包括基体和负载于基体表面的发热膜。通电情况下，发热体上的发热膜将电能转化为热能，然后基体将热量传递至需要加热的物体，如溶剂和油等。当前发热市场大多数采用石英管作为二氧化锡发热膜的基体，但石英玻璃管强度低，其抗弯强度仅为80兆帕，且热导率低，其热导率<2w/m·k，用作发热体的基体时，发热体的功耗高，导致发热体的寿命缩短，这大大限制了大功率发热产品的发展。

氮化硅(si3n4)是一种综合性能优异的陶瓷材料，单晶氮化硅的理论热导率能高，制得的陶瓷材料具有极好的热辐射性和耐热循环性。然而传统的制备方法制得的氮化硅陶瓷材料的热导率及抗弯强度较低，目前氮化硅陶瓷材料还无法应用到对热导率和力学冲击要求较高的发热领域。

因此，急需研发出一种抗弯强度高且导热性能高的氮化硅材料。

技术实现要素：

基于此，本发明提供了一种抗弯强度高且导热性能高的氮化硅复合材料及其制备方法、发热体。

本发明的技术方案如下。

本发明一方面提供了一种氮化硅复合材料，所述氮化硅复合材料的原料按照质量份数计，包括氮化硅粉体80份～93份、烧结助剂5份～15份、增强剂1份～5份及粘结剂1份～5份；

其中，所述增强剂选自长径比为1:(20～30)的氮化物晶须和长径比为1:(20～30)的碳化物晶须中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述烧结助剂选自稀土金属氧化物、稀土金属氟化物和碱土金属氧化物中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述烧结助剂选自氧化钇、氧化铕、氧化铈、氟化钕、氟化钆、氟化镧和氧化镁中的至少一种；

所述氮化物晶须为氮化硅晶须，和/或所述碳化物晶须为碳化硅晶须。

本发明又一方面提供了一种氮化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

提供以下原料：氮化硅粉体80份～93份、烧结助剂5份～15份、增强剂1份～5份及粘结剂1份～5份；其中，所述增强剂选自长径比为1:(20～30)的氮化物晶须和长径比为1:(20～30)的碳化物晶须中的至少一种；

将所述原料混合于溶剂制浆，再喷雾干燥，造粒，得到造粒粉；

将所述造粒粉制成生坯；

将所述生坯烧结成型，得到氮化硅复合材料。

在其中一些实施例中，所述将所述生坯烧结成型的步骤具体包括如下步骤：

将所述生坯在保护气体氛围和通入氢气的作用下升温至900℃～1000℃，并于900℃～1000℃保温烧结1h～2h；所述氢气的通入流量为30l/min～100l/min；

在900℃～1000℃保温烧结后，充入保护性气体置换出氢气，在保护气体氛围下继续升温至1300℃～1380℃烧结2h～5h，再升温至1650℃～1850℃烧结2h～5h。

在其中一些实施例中，步骤s30中将生坯烧结成型的步骤中的温控程序如下：

在10h～20h内，匀速升温至900℃～1000℃；

在5h～10h内，从900℃～1000℃匀速升温至1300℃～1380℃；

在5h～10h内，从1300℃～1380℃匀速升温至1650℃～1850℃。

本发明还提供了上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料。

进一步地，本发明提供了一种发热体，该发热体包括上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料。

在其中一些实施例中，上述发热体包括基体和负载于基体表面的发热膜，所述基体的材料为上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料。

本发明提供了一种发热设备，所述发热设备包括上述任一种发热体。

有益效果

上述氮化硅复合材料中，采用上述特定的组分及配比，通过特定质量比的烧结助剂、粘结剂和具有特定长径比的氮化物晶须和/或碳化物晶须对氮化硅粉体的共同作用，不仅可以增强材料的抗弯强度，还能够提高氮化硅陶瓷材料的热导率。应用于制备导热制品时，能提高导热制品的热导率，从而提高导热制品的器件功率，延导热制品的使用寿命。

上述氮化硅复合材料的制备方法中，包括采用上述氮化硅复合材料中特定的组分及配比制成生坯；及将生坯烧结成型，从而得到抗弯强度高且热导率高的氮化硅复合材料。

进一步地，在上述氮化硅复合材料的制备方法中，在将生坯烧结成型的步骤中，在升温至900℃～1000℃的过程中，以30l/min-100l/min的流量通入氢气，通入氢气能有效升温过程中生坯产生的胶体，并对生坯坯体进行净化，有效除去生坯材料中所含的氧元素，降低生坯晶界中的含氧量，从而进一步提高材料的热导率与强度。

本发明进一步提供了一种发热体，该发热体包括上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料，与现有的石英发热管相比，该发热体的能转换效率提高了1～3倍，使用寿命得到提高。

附图说明

图1为实施例1中氮化硅复合材料的制备流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施方式提供了一种氮化硅复合材料，该氮化硅复合材料的原料按照质量份数计，包括氮化硅粉体80份～93份、烧结助剂5份～15份、增强剂1份～5份及粘结剂1份～5份；

其中，上述增强剂选自长径比为1:(20～30)的氮化物晶须和长径比为1:(20～30)的碳化物晶须中的至少一种。

上述氮化硅复合材料中，采用上述特定的组分及配比，通过特定质量的烧结助剂、粘结剂和具有特定长径比的氮化硅晶须对氮化硅粉体的共同作用，不仅可以增强材料的抗弯强度，还能够提高氮化硅陶瓷材料的热导率。应用于制备导热制品时，能提高导热制品的热导率，从而提高导热制品的器件功率，延导热制品的使用寿命。

优选地，氮化硅复合材料的原料按照质量份数计，包括氮化硅粉体88份、烧结助剂10份、增强剂2份及粘结剂3份。

在其中一些实施例中，上述烧结助剂选自稀土金属氧化物、稀土金属氟化物和碱土金属氧化物中的至少一种。

优选地，上述烧结助剂选自稀土金属氧化物、稀土金属氟化物和碱土金属氧化物的混合物。

通过上述三种烧结助剂的组合其他质量粘结剂和具有特定长径比的氮化物晶须和/或碳化物晶须对氮化硅粉体的协同作用，可以进一步增强材料的抗弯强度和热导率。

可理解，稀土金属包括迄今为止已发现的稀土元素，包括元素周期表ⅲb族中钪、钇、镧系等17种元素；碱土金属指元素周期表中ⅱa族元素，包括铍(be)、镁(mg)、钙(ca)、锶(sr)、钡(ba)、镭(ra)、*(ubn)等七种元素。

在其中一些实施例中，上述烧结助剂选自氧化钇、氧化铕、氧化铈、氟化钕、氟化钆、氟化镧和氧化镁中的至少一种。

在其中一些实施例中，上述烧结助剂为氧化镁、氟化钕和氧化钇。

上述粘结剂可以是本领域内常用的各类粘结剂，包括但不限于丙烯酸树脂，纤维素、聚乙烯醇和聚乙烯醇缩丁醛等。

在其中一些实施例中，上述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。

在其中一些实施例中，氮化物晶须选自氮化铝晶须和氮化硅晶须中的至少一种；碳化物晶须选自碳化硅晶须和碳化铝晶须中的至少一种。

在其中一些实施例中，上述氮化物晶须为氮化硅晶须，和/或上述碳化物晶须为碳化硅晶须。

本发明一实施方式提供了一种氮化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤s10～s40。具体制备流程参考附图1.

步骤s10、提供以下原料：氮化硅粉体80份～93份、烧结助剂5份～15份、增强剂1份～5份及粘结剂1份～5份；其中，所述增强剂选自长径比为1:(20～30)的氮化物晶须和长径比为1:(20～30)的碳化物晶须中的至少一种。

步骤s20、将步骤s10得到的原料混合于溶剂制浆，再喷雾干燥、造粒，得到造粒粉。

在其中一些实施例中，步骤s20中，浆料的粒度d50小于或等于1μm，进一步地，浆料的粒度d50为0.1μm～1μm。

在其中一些实施例中，步骤s20中，浆料的粘度为20mpa·s～50mpa·s。

可理解，步骤s20中，根据浆料的粘度确定溶剂的用量。溶剂可选自水或本领域内常用的有机溶剂，如乙醇等。

在其中一些实施例中，步骤s20中，溶剂为水。

在其中一些实施例中，步骤s20中，球磨的时间为1h～5h。

在其中一些实施例中，步骤s20中，造粒粉的粒径为50～80微米。

步骤s30、将步骤s20得到的造粒粉制成生坯。

在其中一些实施例中，步骤s30中，将造粒粉制成生坯的步骤采用注浆成型、注凝成型、干压成型或等静压成型。在一具体示例中，采用等静压成型，具体步骤如下：

将得到的造粒粉置于模套中，再放入湿式等静压中，在100mp～120mpa静压力下成型，得到管状生坯。在一具体示例中，得到管状生坯的壁厚为1.5mm，长度为300mm，外径为23mm。

可理解，在生坯成型后，可根据具体需改对生坯进行必要的坯体加工修整。

步骤s40、将步骤s30得到生坯烧结成型，得到氮化硅复合材料。

上述氮化硅复合材料的制备方法中，包括采用上述氮化硅复合材料中特定的组分及配比制成生坯；及将生坯烧结成型，从而得到抗弯强度高且热导率高的氮化硅复合材料。

在其中一些实施例中，步骤s40中将步骤s30得到生坯烧结成型的步骤具体包括如下步骤：

将上述生坯在保护气体氛围和通入氢气的作用下升温至900℃～1000℃，并于900℃～1000℃保温烧结1h～2h；氢气的通入流量为30l/min～100l/min；

在900℃～1000℃保温烧结后，充入保护性气体置换出氢气，在保护气体氛围下继续升温至1300℃～1380℃烧结2h～5h，再升温至1650℃～1850℃烧结2h～5h。

在上述生坯烧结成型的步骤中，在升温至在900℃～1000℃的过程中通氢气，温度升至在900℃～1000℃后，停止通入氢气。

在上述步骤s40中，在升温至900℃～1000℃过程中，以30l/min-100l/min的流量通入氢气，通入氢气能有效升温过程中生坯产生的胶体，并对生坯坯体进行净化，有效除去生坯材料中所含的氧元素，降低生坯晶界中的含氧量，从而进一步提高材料的热导率与强度。

在步骤s40将生坯烧结成型的步骤中，在将生坯在保护气体氛围和通入氢气的作用下升温至900℃～1000℃的步骤之前，将生坯置于真空环境中。

在其中一些实施例中，在步骤s40将生坯烧结成型的步骤中，在900℃～1000℃保温烧结后，充入1mpa～10mpa保护性气体置换出氢气。

步骤s40中所用的保护性气体包括惰性气体和氮气。在一具体示例中，保护性气体为氮气。

在其中一些实施例中，步骤s40中将生坯烧结成型的步骤中的温控程序如下：

在10h～20h内，匀速升温至900℃～1000℃；

在5h～10h内，从900℃～1000℃匀速升温至1300℃～1380℃；

在5h～10h内，从1300℃～1380℃匀速升温至1650℃～1850℃。

在其中一些实施例中，步骤s40中，在生坯烧结成型步骤之后，还包括对氮化硅复合材料进行切割、抛光的步骤。

可理解，可根据实际应用的需要，对上述氮化硅复合材料进行切割、抛光，或不进行切割、抛光。

进一步地，本发明一实施方式提供了上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料在制备导热制品中的应用。

上述氮化硅复合材料应用于制备导热制品时，能提高导热制品的热导率，从而提高导热制品的器件功率，延导热制品的使用寿命。

上述导热制品包括但不限于：导热垫片、导热陶瓷、加热器中的发热体、导热玻璃和发热设备中的导热装置。

进一步地，本发明一实施方式提供了一种发热体，该发热体包括上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料。

与现有的石英发热管相比，该发热体的提电能转换效率提高了1～3倍，使用寿命提高。

在其中一些实施例中，上述发热体包括基体和负载于基体表面的发热膜，上述基体的材料为上述任一种氮化硅复合材料或上述任一种制备方法制得的氮化硅复合材料。

在以具体示例中，上述发热膜为二氧化锡膜。进一步地，本发明一实施方式还提供了一种发热设备，该发热设备包括上述任一种发热体。

上述发热设备包括但不限于取暖设备、热水器、发热瓦、加热板和电热板板等。

在其中一些实施例中，上述发热设备包括壳体和发热介质，该发热介质上述任一种发热体。

如取暖器中，包括外壳和发热介质，发热介质为上述任一种发热体，根据实际需要，该发热体可以是板状、管状或其它形状。

具体实施例

这里按照本发明的氮化硅复合材料及其制备方法与应用举例，但本发明并不局限于下述实施例。

实施例1

1)提供以下质组分：85份氮化硅粉体，2份氧化镁，5份氟化钕，3份氧化钇，5份粘结剂，3份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

2)将步骤1)中的组分投入球磨机中，加入一定量的去离子水，球磨2小时，得到浆料，此时，浆料的粘度为25mpa·s，取样测得浆料的粒度d50＝0.9μm；然后将物料取出，于出口温度为105℃的喷雾干燥造粒塔中干燥，得到造粒粉料。

3)将步骤2)得到的粉料装入橡胶模套中，放入湿式等静压中在120mpa压力下成型，得到管状生坯。管状生坯的壁厚为1.5mm，长度为300mm，外径为23mm。

4)将步骤3)得到的管状生坯放入烧结炉中，合上炉抽真空，充氮气至真空表显示为20pa时开始加热，于15小时从室温匀速升至1000℃后，保温烧结1小时，在此升温过程中，以50l/min的流量通入氢气；升温至1000℃时，将氢气置换出后，充入2mpa的高纯氮气；在6小时从1000℃匀速升温至1300℃，并在1300℃保温烧结2小时；然后于8小时从1300℃匀速升温至1750℃，保温烧结两小时；最后于4小时从1750℃缓慢降至1000℃后随炉降温，获得管状氮化硅复合材料。

5)对步骤4)得到的管状氮化硅复合材料进行长度切断、表面抛光打磨得到。管状氮化硅复合材料基体，于基体表面覆盖一层二氧化锡发热膜，得到发热管。

实施例2

1)提供以下组分：80份氮化硅粉体，3份氧化镁，5份氟化钕，5份氧化钇，5份粘结剂，5份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

2)同实施例1步骤2)。

3)同实施例1步骤3)。

4)将步骤3)得到的管状生坯放入烧结炉中，合上炉抽真空，充氮气至真空表显示20pa时开始加热，于15小时从室温匀速升至1000℃后，保温烧结1小时，在此升温过程中，以30l/min的流量通入氢气；升温至1000℃时，将氢气置换出后，充入2mpa的高纯氮气；在6小时从1000℃匀速升温至1380℃，并在1300℃保温烧结2小时；然后于8小时从1380℃匀速升温至1850℃，保温烧结两小时；最后于4小时从1850℃缓慢降至1000℃后随炉降温，获得管状氮化硅复合材料。5)同实施例1步骤5)。

实施例3

1)提供以下组分：94份氮化硅粉体，1份氧化镁，3份氟化钕，2份氧化钇，2份粘结剂，1份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

2)同实施例1步骤2)。

3)同实施例1步骤3)。

4)将步骤3)得到的管状生坯放入烧结炉中，合上炉抽真空，充氮气至真空表显示20pa时开始加热，于15小时从室温匀速升至1000℃后，保温烧结1小时，在此升温过程中，以100l/min的流量通入氢气；升温至1000℃时，将氢气置换出后，充入2mpa的高纯氮气；在6小时从1000℃匀速升温至1350℃，并在1300℃保温烧结2小时；然后于8小时从1350℃匀速升温至1800℃，保温烧结两小时；最后于4小时从1800℃缓慢降至1000℃后随炉降温，获得管状氮化硅复合材料。

5)同实施例1步骤5)。

实施例4

1)提供以下组分：88份氮化硅粉体，5份氧化镁，2份氟化钕，3份氧化钇，3份粘结剂，2份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:20。

其余步骤和工艺条件与实施例1相同。

实施例5

1)实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于，实施例5中步骤1)提供以下组分：90份氮化硅粉体，2份氧化镁，4份氟化钕，1份氧化钇，4份粘结剂，2份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

实施例6

1)提供以下组分：85份氮化硅粉体，2份氧化镁，5份氟化钕，3份氧化钇，5份粘结剂，3份碳化硅晶须，碳化硅晶须的长径比为1:30。

其余步骤与实施例1相同。

实施例7

1)实施例7与实施例1基本相同，不同之处在于，实施例7中步骤1)提供以下组分：85份氮化硅粉，5份氧化镁，5份氟化钕，5份粘结剂，3份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于，对比例1中步骤1)提供以下组分：85份氮化硅粉体，2份氧化镁，5份氟化钕，3份氧化钇，6份粘结剂，1份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:30。

其余步骤和工艺条件与实施例1相同

对比例2

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于，对比例1中步骤1)提供以下组分：85份氮化硅粉体，2份氧化镁，5份氟化钕，3份氧化钇，5份粘结剂，3份氮化硅晶须，氮化硅晶须的长径比为1:15。

实施例1～7及对比例1～2中所用粘结剂均为聚乙烯醇缩丁醛，实施例1～7及对比例1～2中的原料组成及其配比如表1所示。

表1

实施例8

1、对实施例1～7及对比例1～2制得的获得管状氮化硅复合材料进行抗弯强度和热导率的测试，抗弯强度的测试标准参考gb/t23806-2009；热导率的测试参考标准gb/t22588-2008。

2、对实施例1～7及对比例1～2制得的发热管进行电能转换效率和使用寿命测试，电能转换效率测试参考标准gb4706.1-2005。

得到的结果如下表2所示。

表2

由表2的测试数据可知，按照本申请的技术方案制得的管状氮化硅复合材料的抗弯强度高，大于650mpa，且热导率高，其热导率大于60w/mk，能明显提高发热管的发热效率，进而提高使用寿命，节能降耗。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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