Способ получения керамического материала на основе нитрида алюминия и алмаза

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ И АЛМАЗА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Урбанович Владимир Степанович Шипило Наталья Викторовна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ получения керамического материала на основе нитрида алюминия и алмаза,включающий формование заготовки из смеси порошков нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия, ее спекание при высоких давлениях и температурах,отличающийся тем, что заготовку формуют из смеси, содержащей нанопорошок нитрида алюминия дисперсностью 0,02-0,2 мкм, а порошок алмаза дисперсностью 40-160 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.нанопорошок нитрида алюминия 52,0-59,5 порошок оксида иттрия 0,5-8,0 порошок алмаза остальное,спекание осуществляют при давлении 2,5-6,5 ГПа, температуре 1100-1600 С в течение 16-1800 с с последующим вакуумным отжигом при температуре 1100-1250 С без давления. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению керамики на основе нитрида алюминия и алмаза под высоким давлением, и может быть использовано в электронной промышленности. Известен способ получения спеченного материала для теплоотвода 1, включающий спекание порошка нитрида алюминия и алмаза в устройстве высокого давления при давлении 6,0-5,5 ГПа, температуре 1300-1500 С в течение 20 мин. Недостатком данного способа является получение керамики при повышенных параметрах синтеза. Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения керамического материала на основе алмаза и нитрида алюминия 2. Он включает спекание исходной заготовки из порошка нитрида алюминия дисперсностью 2-5 мкм и алмаза дисперсностью менее 40 мкм при давлении 17760 1 2013.12.30 7 ГПа и температуре 1400-2470 К в течение 15 с. В качестве активатора спекания использовали оксид иттрия. Недостатком известного способа является низкое значение электросопротивления. Известный способ не позволяет получать керамический материал с электросопротивлением выше 70 Омсм при теплопроводности 490 Вт/(мК). Это обусловлено тем, что в процессе спекания используется высокая температура, приводящая к графитизации алмазного порошка. Общим признаком прототипа и заявляемого технического решения является спекание нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия с использованием высокого давления. Задача, которую решает настоящее изобретение, заключается в снижении температуры спекания керамического материала на основе нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия и повышении электросопротивления при высоких значениях теплопроводности получаемого материала. Поставленная задача решается путем формования заготовки из смеси порошков нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия, ее спекание при высоких давлениях и температурах с последующим вакуумным отжигом. Новым, по мнению авторов, является то, что заготовку формуют из смеси, содержащей нанопорошок нитрида алюминия дисперсностью 0,02-0,2 мкм, а порошок алмаза дисперсностью 40-160 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.нанопорошок нитрида алюминия 52,0-59,5, порошок оксида иттрия 0,5-8,0, порошок алмаза - остальное,спекание осуществляют при давлении 2,5-6,5 ГПа, температуре 1100-1600 С в течение 161800 с с последующим вакуумным отжигом при температуре 1100-1250 С без давления. Заявляемый способ позволяет понизить температуру спекания и создать изделие из материала на основе нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия с высокими значениями электросопротивления. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Смесь 59,5 мас.нанопорошка нитрида алюминия дисперсностью 0,02 мкм, 0,5 мас.порошка оксида иттрия и остальное - порошок алмаза дисперсностью 40 мкм, под давлением 10 МПа прессовали заготовку в виде таблетки диаметром 11 мм и высотой 5 мм, устанавливали ее в реакционную ячейку, которую помещали в аппарат высокого давления и сжимали под давлением 2,5 ГПа. Затем заготовку нагревали до температуры 1100 С и спекали при этой температуре в течение 16 с. После отключения нагрева приложенное к образцу усилие снимали. Полученную заготовку подвергали вакуумному отжигу при температуре 1100 С с выдержкой 1 ч. Спеченное изделие из нитрида алюминия,алмаза и активирующей добавки оксида иттрия имело относительную плотность 100 ,теплопроводность 570 Вт/(мК), электросопротивление 2,61014 Омсм. Пример 2. Смесь 56 мас.нанопорошка нитрида алюминия дисперсностью 0,1 мкм, 4 мас.порошка оксида иттрия и остальное - порошок алмаза дисперсностью 80 мкм, аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 4,5 ГПа, температуре 1350 С в течение 900 с. Полученную заготовку подвергали вакуумному отжигу при температуре 1250С с выдержкой 1 ч. Спеченное изделие из нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия имело относительную плотность 100 , теплопроводность 586 Вт/(мК), электросопротивление 2,31014 Омсм. Пример 3. Смесь 52 мас.нанопорошка нитрида алюминия дисперсностью 0,2 мкм, 8 мас.оксида иттрия и остальное - порошок алмаза дисперсностью 160 мкм, аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 6,5 ГПа, температуре 1600 С в течение 1800 с. Полученную заготовку подвергали вакуумному отжигу при температуре 2 17760 1 2013.12.30 1350 С с выдержкой 1 ч. Спеченное изделие из нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия имело относительную плотность 100 , теплопроводность 585 Вт/(мК), электросопротивление 1,6-1014 Омсм. В таблице представлены дисперсность исходных порошков нитрида алюминия и алмаза, режимы получения, относительная плотность, теплопроводность, электросопротивление спеченного керамического материала для различных составов исходной смеси на основе нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия, полученного предложенным и известным методами. Как видно из таблицы, использование предложенного способа за счет применения порошков нитрида алюминия более высокой, чем в прототипе, дисперсности (0,02-0,2 мкм) позволяет получить керамику при пониженных давлениях и температурах. Повышенные значения электросопротивления образцов обусловлены использованием низких температур спекания, позволяющих предотвратить процесс графитизации алмаза. В зависимости от дисперсности и состава смеси на основе нитрида алюминия, алмаза и активирующей добавки оксида иттрия температура, используемая при спекании, составляет 1100-1600 С, при этом давление варьируется в диапазоне 2,2-6,5 ГПа, а время спекания составляет 16-1800 с. Использование температуры спекания ниже 1100 С не позволяет получить высокоплотные образцы с высокой прочностью сцепления частиц порошка друг с другом, а при температурах выше 1600 С начинается активная графитизация алмаза, которая приводит к понижению значений электросопротивления. При использовании давления спекания ниже 2,0 ГПа полученные образцы обладают низкой плотностью, в то же время у образцов, спеченных при давлениях выше 6,5 ГПа,наблюдается растрескивание вследствие высокого уровня внутренних напряжений и понижение плотности. При времени спекания ниже 16 с образцы не успевают спечься, а при времени спекания свыше 1800 с происходит диссоциация нитрида алюминия. В результате диссоциации все свойства спеченной под высоким давлением керамики ухудшаются. Содержание в исходной смеси 52-59,5 мас.нанопорошка нитрида алюминия дисперсностью 0,02-0,2 мкм, 0,5-8 мас.порошка оксида иттрия и остальное - порошок алмаза дисперсностью 40-160 мкм позволяет получить спеченную керамику с высокой относительной плотностью, теплопроводностью и электросопротивлением. При содержании в исходной смеси более 59,5 мас.нанопорошка нитрида алюминия и менее 40 мас.шлифпорошка алмаза теплопроводность не будет проявляться в достаточной степени и будет близка к теплопроводности нитрида алюминия. 17760 1 2013.12.30 Содержание в исходной смеси менее 52 мас.нанопорошка нитрида алюминия и более 40 мас.шлифпорошка алмаза приводит к уменьшению плотности за счет плохого спекания при заданных параметрах спекания. Содержание в исходной смеси менее 0,5 мас.порошка оксида иттрия приводит к уменьшению теплопроводности спеченного материала, так как уровень очистки нитрида алюминия от кислорода незначительный. При содержании в исходной смеси более 8 мас.порошка оксида иттрия теплопроводность уменьшается за счет образования такого количества иттрийсодержащих соединений, которые начинают эффективно влиять на теплопроводность материала из-за массового фактора и подавлять эффект, получаемый от очистки нитрида алюминия от кислорода. Использование порошков алмаза с размером зерен менее 40 мкм приводит к уменьшению теплопроводности за счет увеличения площади зеренных границ в объеме материала и высокой степени их дефектности. Использование порошков алмаза с размером зерен более 160 мкм приводит к уменьшению электросопротивления за счет увеличения концентрации металлических включений в алмазе. Использование вакуумного отжига спеченных под высоким давлением заготовок при температуре 1100-1350 С с выдержкой 1 ч позволяет повысить теплопроводность и электросопротивление за счет снятия внутренних напряжений в керамике. Использование заявляемого способа, по сравнению с прототипом, обеспечивает понижение температуры спекания керамического материала на основе нитрида алюминия и алмаза до 1100-1600 С, при этом увеличивается электросопротивление с 80-500 до 1,61014-2,61014 Омсм. Снижение температуры спекания позволяет повысить срок службы твердосплавных матриц аппарата высокого давления, что приводит к снижению расхода твердого сплава для изготовления 100 образцов керамического материала с 0,5 до 0,4 кг. Это позволит снизить затраты на изготовление матриц и аппаратов высокого давления. Источники информации 1. Акцептованная заявка Японии 62-32154, МПК 04 35/52, 35/58, 1987. 2. Шипило В.Б., Урбанович В.С., Шипило Н.В. Сверхтвердые материалы. - 2000.6. - С. 16-19 (аналог). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.