| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411015259.3 | 申请日 | 2024-07-26 |
| 公开(公告)号 | CN118772582A | 公开(公告)日 | 2024-10-15 |
| 申请人 | 陕西宝光陶瓷科技有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 赵童刚; 安百江; 李拉练; 卢煌; 曹李红; | 第一发明人 | 赵童刚 |
| 权利人 | 陕西宝光陶瓷科技有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 陕西宝光陶瓷科技有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：陕西省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：陕西省宝鸡市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：陕西省宝鸡市渭滨区宝光路53号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：721016 |
| 主IPC国际分类 | C08L63/00 | 所有IPC国际分类 | C08L63/00 ; C08K9/06 ; C08K7/24 ; C08K3/34 ; C08J3/20 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 西安通大专利代理有限责任公司 | 专利代理人 | 李晓晓; |
| 摘要 | 本 发明 属于 复合材料 制备领域，具体涉及到一种 氧 化 铝 /氮化 硅 /环氧 树脂 复合材料的制备方法，将多孔氧化铝陶瓷放置于乙烯基三硅烷、γ‑ 氨 丙基三乙氧基硅烷和 乙醇 的热溶液中，超声分散，烘干后得到改性多孔氧化铝陶瓷；将氮化硅纳米颗粒放置于乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷和乙醇的溶液中，加热保温，得到改性氮化硅纳米颗粒；将 环氧树脂 、 固化 剂及改性氮化硅纳米颗粒混合均匀，超声分散，得到氮化硅改性环氧树脂液体；采用 真空 压 力 浸渗的方式将氮化硅改性环氧树脂液体在真空下以高压的形式浸渗到改性多孔氧化铝陶瓷中，得到氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料。解决了传统溶液共混法存在的氧化铝难以均匀分散或孤立分布的问题。 | ||
| 权利要求 | 1.一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 向环氧树脂中添加一定量的氧化铝及氮化硅微粉不仅可以有效提高复合材料的拉伸强度、杨氏模量以及断裂韧性等，还能够提高环氧树脂材料的导热率及耐热性，因此这种复合材料在高功率集成电路电子封装领域以及直流高压开关设备绝缘件方面具有广泛应用。 [0003] 然而采用传统溶液共混法制备这种复合材料时，氧化铝含量超过一定量时难以均匀分散，易存在缺陷，严重时甚至在环氧固化过程中出现氧化铝颗粒沉淀，出现从上到下密度不均现象；另一方面，若添加量较少，复合材料中氧化铝无机颗粒孤立分布，对于材料的热导率、高温性能作用有限。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料及其制备方法，解决了传统溶液共混法存在的氧化铝难以均匀分散或孤立分布的问题。 [0005] 本发明是通过以下技术方案来实现： [0006] 本发明公开了一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法，包含以下步骤： [0008] 将氮化硅纳米颗粒放置于乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷和乙醇的溶液中，加热保温，得到改性氮化硅纳米颗粒；将环氧树脂、固化剂及改性氮化硅纳米颗粒混合均匀，超声分散，得到氮化硅改性环氧树脂液体； [0010] 进一步，S1中，制备改性多孔氧化铝陶瓷时，乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷和乙醇的质量比为(0.1‑2)：(1‑5)：(3‑20)。 [0011] 进一步，S1中，制备改性氮化硅纳米颗粒乙烯基三硅烷时，乙烯基三硅烷与γ‑氨丙基三乙氧基硅烷的比例为1:3。 [0012] 进一步，S1中，环氧树脂为MY0510型多官能团环氧树脂，固化剂为脂环族液态酸酐固化剂。 [0013] 进一步，环氧树脂、固化剂及改性氮化硅纳米颗粒的质量比为(1‑5)：(0.5‑3)：(1‑5)。 [0014] 进一步，S2具体为： [0015] 将改性多孔氧化铝陶瓷和氮化硅改性环氧树脂液体分别放置于真空压力浸渗炉的上下腔体中，先抽真空排除改性多孔氧化铝陶瓷和氮化硅改性环氧树脂液体中的气体，然后在真空条件下以1‑30MPa的压力将氮化硅改性环氧树脂液体注入改性多孔氧化铝陶瓷的孔隙当中，保持压力不变，在60‑90℃下保压3‑8h，然后在100‑150℃下保压3‑6h，脱模后则得到氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料。 [0016] 进一步，S1中，多孔氧化铝陶瓷的制备过程为： [0018] 配制溶质的质量百分浓度为3％‑20％的溶液，所述溶质以质量百分比计，包括以下组分：羟甲基丙基纤维素钠5％‑35％、磷酸三丁酯1％‑5％十六烷基三甲基溴化铵2％‑10％、聚乙烯醇45％‑75％、甘油0.5％‑3％；此溶液记为M2； [0019] 将M1与M2混合均匀，造粒后得到M3；其中M1与M2质量比为(10‑20):1； [0020] 将M3进行保压成型，脱模后得到M4； [0021] 将M4进行烧结处理，烧结完成后得到气孔率为10％‑80％的多孔氧化铝陶瓷。 [0022] 进一步，氧化铝微粉粒径D50为0.5um、10um和50um，混合比例为(1～5)：(5～15)：(5～20)； [0023] 氧化钙微粉、氧化镁微粉和氧化锆微粉粒径均为0.5～2um； [0024] 陶瓷造孔剂10‑50um； [0025] 烧结温度为1000‑1500℃。 [0026] 本发明还公开了基于所述制备方法制备得到的氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料，氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料以环氧树脂作为基体，以多孔氧化铝陶瓷作为增强相；或以环氧树脂作为增强相，以多孔氧化铝陶瓷作为基体；形成双增强相和双基体； [0027] 增强相和基体均为连续相。 [0028] 进一步，所述氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的导热系数最高能够达到12.1W/m·K，抗弯强度最高能够达到182MPa，绝缘强度最高能够达到37KV/mm。 [0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： [0030] 本发明公开了一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法，由于氧化铝和氮化硅都是无机物，环氧树脂为有机物，双方互不相容，所以本发明先对多孔氧化铝陶瓷以及氮化硅纳米粉体均进行表面改性，表面改性的目的是在无机物表面通过化学键的形式形成一种有机嵌段，类似表面活性剂作用，通过这个过渡层再与有机物连接，这样能够避免团聚，方便结合，从而提升其与环氧树脂的复合，降低了无机颗粒与环氧分子的表面能； [0031] 之后采用真空压力浸渗的方式将氮化硅改性环氧树脂液体在真空下以高压的形式浸渗到多孔氧化铝陶瓷当中，从而制备了氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料。此方法可以明显提高氧化铝和氮化硅在环氧中的固载量，且增强相和基体均匀分散不团聚，氧化铝不存在孤立分布的现象。 [0032] 进一步，在真空状态下，将氮化硅改性环氧树脂液体通过高压注入陶瓷中，高压有助于氮化硅改性环氧树脂液体快速且均匀地渗透到改性多孔氧化铝陶瓷的每一个孔隙中，形成致密的复合材料结构； [0033] 浸渗完成后，将复合材料在60‑90℃下保压3‑8h，然后在100‑150℃下保压3‑6h，先初步成型固化，再深度交联固化，不容易开裂，使环氧树脂与陶瓷之间形成牢固的化学键合。固化过程中需要控制温度和时间，以确保复合材料的性能达到最佳。 [0034] 进一步，本发明优化了多孔氧化铝陶瓷的制备过程粒径配比，选材及比例做了改进，对多孔氧化铝陶瓷的气孔率进行调整，气孔率最终控制在10％‑80％，气孔率较小，方便后期浸渗。 [0035] 进一步，氧化铝微粉、氧化钙微粉、氧化镁微粉、氧化锆微粉和陶瓷造孔剂进行颗粒极配，方便烧结时烧结颈的形成，另外提高成瓷密度。 [0036] 本发明还公开了基于上述制备方法制备得到的氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料，固载量高，复合材料性能优异，导热率最高可以达12.1W/m·K，抗弯强度最高达到182MPa，绝缘强度最高可达37KV/mm。 附图说明 [0037] 图1为本发明的一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法的工艺流程图。 具体实施方式[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。 [0039] 本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。 [0040] 需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。 [0041] 以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。 [0042] 实施例1 [0043] 如图1所示，本发明公开了一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0044] 1)将不同粒径的氧化铝微粉、氧化钙微粉、氧化镁微粉、氧化锆微粉及陶瓷造孔剂按照质量比100:1:3:0.5:20混合均匀，记为M1； [0045] 优选的氧化铝微粉粒径D50为0.5um、10um和50um，配制比例为1：5：15； [0046] 氧化钙微粉、氧化镁微粉、氧化锆微粉的粒径均为2um；陶瓷造孔剂50um； [0047] 2)配制溶质的质量百分浓度为10％的水溶液，所述溶质包括以下质量百分比的各组分：羟甲基丙基纤维素钠15％、磷酸三丁酯5％、十六烷基三甲基溴化铵5％、聚乙烯醇74％、甘油1％；此溶液记为M2； [0048] 3)将M1与M2混合均匀，其中M1与M2质量比为20:1；造粒后得到M3； [0049] 将M3放入模具后，在一定压力120MPa下成型，保压10min后；脱模后得到M4； [0050] 4)将M4进行在1350℃进行烧结处理，烧结完成后得到多孔氧化铝陶瓷M5； [0051] 将M5放置于乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷和乙醇的混合热溶液中，其质量比分别为1：5：20；超声分散1h，烘干后备用，记为M6；此步骤主要是用来改善多孔氧化铝陶瓷孔隙表面的极性，有机溶液的部分嵌段例如‑OH等的附着，利于后续浸渗工艺进行。 [0052] 5)将氮化硅纳米颗粒20nm放置于含有乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷和乙醇的溶液中，乙醇的溶液浓度为5％，70℃保温1h，其中聚二甲基硅氧烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷的质量比例为1:3；处理完成后的氮化硅纳米颗粒记为M7； [0053] 6)将环氧树脂、固化剂、M7按照质量比4：2：3的比例混合均匀，超声分散1h，混合均匀后记为M8备用； [0054] 其中，所述环氧树脂为MY0510型多官能团环氧树脂，固化剂为脂环族液态酸酐固化剂； [0055] 7)将M6和M8分别放置于真空压力浸渗炉的上下腔体中，先抽真空排除M6和M8中的气体，然后在真空条件下以20MPa的压力降M8注入M6的孔隙当中，保持压力不变，在80℃下保压4h，然后在150℃下保压3h，脱模后即得到氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料M9。 [0056] 进行测试，导热率达到12.1W/m·K，抗弯强度达到182MPa，绝缘强度可达37KV/mm。 [0057] 实施例2 [0058] 本发明公开了一种氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0059] 1)将不同粒径的氧化铝微粉，氧化钙微粉，氧化镁微粉，氧化锆微粉，陶瓷造孔剂按照质量比100:3:1:0.5:30混合均匀，优选的氧化铝微粉粒径D50为0.5um、10um和50um，比例为1：5：15；氧化钙、氧化镁、氧化锆粒径为2um；陶瓷造孔剂50um；上述物料混合均匀记为M1； [0060] 2)配制溶质的质量百分浓度为10％的溶液，所述溶质包括以下质量百分比的各组分：羟甲基丙基纤维素钠15％、磷酸三丁酯5％十六烷基三甲基溴化铵5％、聚乙烯醇74％；甘油1％；此溶液记为M2； [0061] 3)将M1与M2混合均匀，其中M1与M2质量比为20:1；造粒后得到M3；将M3放入模具后，在一定压力100MPa下成型，保压10min后；脱模后得到M4； [0062] 4)将M4在1350℃进行烧结处理，烧结完成后得到多孔氧化铝陶瓷M5；将M5放置于乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、乙醇的热溶液中，其质量比分别为1：5：20；超声分散1h；烘干后备用，记为M6； [0063] 5)将氮化硅纳米颗粒20nm放置于含有5wt％乙烯基三硅烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷、乙醇的溶液中，70℃保温1h，其中聚二甲基硅氧烷、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷的比例为1:2；处理完成后的氮化硅纳米颗粒记为M7； [0064] 6)将环氧树脂、固化剂、M7按照质量比4：2：3的比例混合均匀，超声分散1h；所述环氧树脂为MY0510型多官能团环氧树脂，固化剂为脂环族液态酸酐固化剂，混合均匀后记为M8备用。 [0065] 7)将M6和M8分别放置于真空压力浸渗炉的上下腔体中，先抽真空排除M6和M8中的气体，然后在真空条件下以25MPa的压力降M8注入M6的孔隙当中，保持压力不变，在80℃下保压4h，然后在150℃下保压3h，脱模后即得到氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料M9。 [0066] 经测试，制备材料导热率为11W/m·K，抗弯强度为175MPa，绝缘强度35KV/mm。 [0067] 实施例3 [0068] 实施例3与实施例1基本相同，只是在制备M4过程中，成型压力为200MPa，保压时间为5min；另外在制备M9过程中，真空浸渗压力为30MPa，90℃下保压2h。 [0069] 经测试，制备材料导热率为11.5W/m·K，抗弯强度为180MPa，绝缘强度36KV/mm。 [0070] 实施例4 [0071] 实施例4与实施例1基本相同，只是在制备M5过程中烧结温度为1400℃；另外在制备M8的过程中环氧树脂、固化剂、M7按照质量比4：2：1制备。 [0072] 经测试，制备材料导热率为12W/m·K，抗弯强度为181MPa，绝缘强度35KV/mm。 [0073] 实施例5 [0074] 实施例5与实施例2基本相同，只是在制备M5过程中烧结温度为1000℃，另外在制备M9过程中，真空浸渗压力为5MPa，60℃下保压5h。 [0075] 经测试，制备材料导热率为12W/m·K，抗弯强度为180MPa，绝缘强度35KV/mm。 [0076] 本发明制备的氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料以环氧树脂作为基体，以多孔氧化铝陶瓷作为增强相；或以环氧树脂作为增强相，以多孔氧化铝陶瓷作为基体；形成双增强相和双基体；增强相和基体均为连续相。 [0077] 本发明制备多孔氧化铝陶瓷气孔率为10％‑80％，具有以下优点： [0078] 材料组成的灵活性： [0080] 溶液配制的可控性： [0081] M2溶液的配制采用了多种添加剂，包括羟甲基丙基纤维素钠、磷酸三丁酯、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇和甘油，这些添加剂的质量百分浓度在特定范围内可调，使得溶液的性能更加可控。这些添加剂可能有助于改善陶瓷的成型性、烧结性能以及最终的微观结构。 [0082] 多孔结构的可控性： [0083] 陶瓷造孔剂的加入以及其在混合物中的比例控制，使得多孔氧化铝陶瓷的气孔率、孔径分布等微观结构特征具有可调节性。多孔结构不仅赋予陶瓷材料优异的过滤、吸附、分离等性能，还可能提高其热稳定性和抗热震性。 [0084] 制备工艺的简便性： [0086] 性能优化的可能性： [0087] 制备过程中涉及的多个变量(如原料比例、溶液浓度、热处理条件等)为性能优化提供了广阔的空间。通过调整这些变量，可以针对不同的应用需求制备出具有特定性能的多孔氧化铝陶瓷。 [0088] 高温稳定性和耐腐蚀性： [0089] 氧化铝陶瓷本身具有优异的耐高温和耐腐蚀性能，通过合理的制备工艺和添加剂的选择，可以进一步提升这些性能。这使得多孔氧化铝陶瓷在高温、腐蚀等恶劣环境下具有更广泛的应用前景。 [0090] 本发明采用真空压力浸渗的方式将氮化硅改性环氧树脂液体在真空下以高压的形式浸渗到多孔氧化铝陶瓷当中，从而制备氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料，其作用主要体现在以下几个方面： [0091] 增强陶瓷的机械性能： [0092] 氮化硅改性环氧树脂作为一种高强度、高韧性的材料，具有较高的导热率，其浸渗到多孔氧化铝陶瓷中能够有效填充孔隙，增强陶瓷颗粒间的结合力，从而提高复合材料的导热性能、整体机械强度和抗冲击性能。 [0093] 提高复合材料的耐腐蚀性： [0094] 氮化硅和环氧树脂都具有较好的耐腐蚀性，它们的结合可以进一步提升氧化铝陶瓷在腐蚀性环境中的稳定性，延长复合材料的使用寿命。 [0095] 改善复合材料的热性能： [0097] 优化复合材料的微观结构： [0098] 真空压力浸渗法可以确保氮化硅改性环氧树脂液体充分渗透到氧化铝陶瓷的孔隙中，形成均匀的微观结构。这种结构有助于提升复合材料的整体性能，如均匀性、致密度等。 [0099] 本发明制备的氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料在需要高强度、高韧性、耐腐蚀性和良好热性能的领域，如航空航天、电子封装、化工设备等，氧化铝/氮化硅/环氧树脂复合材料将具有广阔的应用前景。 |
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