本发明涉及一种绝缘散热型纳米陶瓷材料的制备方法，属于陶瓷制备领域。
背景技术：
LED被称为第四代光源,具有节能、环保、安全、低能耗、高亮度等优点,在日常生活中被广泛使用,灯体本身的散热性能至关重要,直接影响到灯具的使用寿命和照明效果。现有的散热材料主要有金属铝及铝合金、氧化铝陶瓷、导热塑料等。铝及铝合金导热率高,但散热性能不如氧化铝陶瓷和导热塑料,而且铝及铝合金是电的良导体,作为散热器有一定的安全隐患。而陶瓷散热材料具有绝缘、耐热、热膨胀系数低、稳定等特性,使散热器抗高压、不变形、不氧化且与芯片具有相近的热膨胀系数,但陶瓷基片导热系数低,不能满足大功率的散热需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种绝缘散热型纳米陶瓷材料及其制备方法,通过该方法制备的材料具有优异的散热效果。
一种绝缘散热型纳米陶瓷材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将2份丙烯酰胺、5份亚甲基丙烯酰胺和10份聚丙烯酸铵加水混合,并调节值至9,得到预配液；
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
步骤3、向上述浆料中加入2份四甲基氢氧化铵和3份过硫酸铵,将浆料凝胶注模成型,再以3℃/min的升温速率从室温升温至1450℃,并在1450℃下保温烧结2小时；
步骤4、将上述烧结产物从常温常压升温升压4小时至温度1450℃压力为120MPa,并在1450℃、120MPa的条件下进行热等静压处理4小时,再降温降压3小时至常温常
压,得到绝缘散热型陶瓷。
所述的Cu-BTC-SiO2纳米材料制备方法如下：
步骤1、将10份二氧化硅粉、0.3份聚丙烯酸钠、19.4份茨烯、2.9份叔丁醇和0.5份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料；
步骤2、将浆料倒入模具中,在-16℃下放置,得到成型为柱状的二氧化硅陶瓷颗粒塑坯；
步骤3、将二氧化硅陶瓷颗粒塑坯先在-16℃下放置12h,然后将其放入冷冻干燥机中在-60℃条件下干燥6h,最后以4℃/min的速度升温进行高温烧结,升温至1000℃,保温3h,冷却后得到多孔二氧化硅陶瓷载体；
步骤4、2份均苯三甲酸与质量分数为95%的乙醇溶液25份混合,搅拌均匀,得到有机配体溶液，取5份多孔二氧化硅陶瓷载体放入上述制得的有机配体溶液中,浸泡12h,抽滤,将过滤后所得样品放入25份质量分数为95%的乙醇溶液中,加入4.8份三水硝酸铜,搅拌均匀,在80℃下反应,过滤、清洗,并在100℃下烘干处理,得到多孔二氧化硅陶瓷负载Cu-MOF，即纳米材料Cu-BTC-SiO2。
有益效果：本发明制备的绝缘散热型纳米陶瓷材料，由于Cu-BTC-SiO2纳米材料粒径小,相应的,其比表面积大,可以使得材料的烧结致密化程度提高,使得材料的组成结构更为致密,而填充氧化锆粉体颗粒间的空隙,在烧结时,同样可以使得材料致密、均匀,从而提高材料的强度；采用纳米氧化锆与Cu-BTC-SiO2纳米多孔材料构成散热粒子,保证其在径向和轴向上都具有高的导热性和散热性；此外，经过预配液球磨过后的浆料,可以形成有效包裹，使得绝缘材料全面覆盖,形成有效表面覆盖与空间侵袭，使得陶瓷具有优异导热性的同时，也具备良好的绝缘性。
具体实施方式
实施例1
一种绝缘散热型纳米陶瓷材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将2份丙烯酰胺、5份亚甲基丙烯酰胺和10份聚丙烯酸铵加水混合,并调节值至9,得到预配液；
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
步骤3、向上述浆料中加入2份四甲基氢氧化铵和3份过硫酸铵,将浆料凝胶注模成型,再以3℃/min的升温速率从室温升温至1450℃,并在1450℃下保温烧结2小时；
步骤4、将上述烧结产物从常温常压升温升压4小时至温度1450℃压力为120MPa,并在1450℃、120MPa的条件下进行热等静压处理4小时,再降温降压3小时至常温常
压,得到绝缘散热型陶瓷。
所述的Cu-BTC-SiO2纳米材料制备方法如下：
步骤1、将10份二氧化硅粉、0.3份聚丙烯酸钠、19.4份茨烯、2.9份叔丁醇和0.5份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料；
步骤2、将浆料倒入模具中,在-16℃下放置,得到成型为柱状的二氧化硅陶瓷颗粒塑坯；
步骤3、将二氧化硅陶瓷颗粒塑坯先在-16℃下放置12h,然后将其放入冷冻干燥机中在-60℃条件下干燥6h,最后以4℃/min的速度升温进行高温烧结,升温至1000℃,保温3h,冷却后得到多孔二氧化硅陶瓷载体；
步骤4、2份均苯三甲酸与质量分数为95%的乙醇溶液25份混合,搅拌均匀,得到有机配体溶液，取5份多孔二氧化硅陶瓷载体放入上述制得的有机配体溶液中,浸泡12h,抽滤,将过滤后所得样品放入25份质量分数为95%的乙醇溶液中,加入4.8份三水硝酸铜,搅拌均匀,在80℃下反应,过滤、清洗,并在100℃下烘干处理,得到多孔二氧化硅陶瓷负载Cu-MOF，即纳米材料Cu-BTC-SiO2。
实施例2
步骤2、再将35份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例3
步骤2、再将25份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例4
步骤2、再将15份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例5
步骤2、再将5份Cu-BTC-SiO2纳米材料、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例6
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、80份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例7
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、60份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例8
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、40份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
实施例9
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、20份Fe3O4磁性粒子、100份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
所述的Fe3O4磁性粒子制备方法如下：
将2.6g六水合三氯化铁、7.6g醋酸盐和0.8g柠檬酸盐溶解在70ml乙二醇中,在160℃下
机械搅拌1h,然后置于含有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中,将反应釜放置于200℃的烘箱中16h,取出,水冷却至室温；用磁铁分离出产物,并用无水乙醇和去离子水洗涤除去未反应的原料,最后得到Fe3O4磁性粒子。
实施例10
步骤2、再将45份Cu-BTC-SiO2纳米材料、10份氧化锆和3份助熔剂二氧化硅加入到球磨罐中,然后加入预配液球磨混合30小时,得到浆料；
其余制备和实施例1相同。
对照例1
与实施例1不同点在于：纳米陶瓷材料制备的步骤1中，将2份丙烯酰胺、15份亚甲基丙烯酰胺和1份聚丙烯酸铵加水混合,并调节值至9,得到预配液，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例2
与实施例1不同点在于：纳米陶瓷材料制备的步骤1中，将20份丙烯酰胺、1份亚甲基丙烯酰胺和1份聚丙烯酸铵加水混合,并调节值至9,得到预配液，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例3
与实施例1不同点在于：纳米陶瓷材料制备的步骤2中，不再加入氧化锆，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例4
与实施例1不同点在于：纳米陶瓷材料制备的步骤2中，用100份氧化钛取代氧化锆，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例5
与实施例1不同点在于：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤1中，将5份二氧化硅粉、0.1份聚丙烯酸钠、10.4份茨烯、2.9份叔丁醇和0.5份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例6
与实施例1不同点在于：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤1中，将15份二氧化硅粉、10份聚丙烯酸钠、1.4份茨烯、9份叔丁醇和5份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例7
与实施例1不同点在于：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤1中，将12份二氧化硅粉、21份聚丙烯酸钠、0.4份茨烯、2.9份叔丁醇和0.5份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例8
与实施例1不同点在于：：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤1中，将35份二氧化硅粉、0.1份聚丙烯酸钠、2.4份茨烯、9.7份叔丁醇和0.1份氧化钇混合放入烧瓶中,在75℃下均匀搅拌,得到浆料，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例9
与实施例1不同点在于：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤4中，20份均苯三甲酸与质量分数为95%的乙醇溶液25份混合,搅拌均匀,得到有机配体溶液，其余步骤与实施例1完全相同。
对照例10
与实施例1不同点在于：Cu-BTC-SiO2纳米材料制备的步骤4中，0.1份均苯三甲酸与质量分数为95%的乙醇溶液25份混合,搅拌均匀,得到有机配体溶液，其余步骤与实施例1完全相同。
选取制备得到的绝缘型陶瓷散热材料分别进行性能检测，电阻率采用GB/T10064-2006《测定固体绝缘材料绝缘电阻的试验方法》；GB/T5598-2015导热系数（热导率）测定方法；
测试结果
实验结果表明本发明制备的绝缘散热型纳米陶瓷材料具有良好的散热效果，材料在国家标准测试条件下，机械强度一定，导热率越高，说明散热效果越好，反之，效果越差；实施例2到实施例10，体积电阻率均达到绝缘材料标准，导热率均超过150W/(mk)，分别改变陶瓷散热纳米复合材料中各个原料组成的配比，对材料的散热性能均有不同程度的影响，在Cu-BTC-SiO2纳米材料、氧化锆质量配比为9：20，其他配料用量固定时，散热效果最好；值得注意的是实施例9加入Fe3O4磁性粒子，绝缘和散热效果明显提高，说明Fe3O4磁性粒子对陶瓷填料结构的散热性能有更好的优化作用；对照例1至对照例2变化预配液丙烯酰胺、亚甲基丙烯酰胺和聚丙烯酸铵的配比，散热效果明显下降，说明预配液对复合材料的改性产生重要影响；对照例3至对照例4不再加入氧化锆并用氧化钛取代，绝缘性和散热性明显降低；对照例5到对照例8改变Cu-BTC-SiO2纳米材料主要原料的用量和配比，效果也不好，说明组成成分对Cu-BTC-SiO2纳米材料合成有重要作用；对照例9至例10改变了均苯三甲酸的用量，有机配体的溶液性质发生变化，散热效果明显降低，说明有机配体的多少对陶瓷填料结构的复合改性影响很大；因此使用本发明制备的绝缘散热型纳米陶瓷材料具有优异的绝缘和散热效果。