CN102931149B - 纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料，包括多个由纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒，其中，所述纳米氮化硅与纳米二氧化硅的质量比为1:1~10:1。纳米氮化硅与纳米二氧化硅按质量比1∶1~10:1进行复合，使得该复合材料的稳定性好，介电常数较低，能够广泛应用于超大规模集成电路电子封装等领域。本发明还提供一种纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料的制备技术领域，特别是涉及一种纳米二氧化硅包覆纳米氮化硅复合材料及其制备方法。
背景技术
纳米氮化硅是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。具体到物理性能方面，氮化硅材料具有硬度高、耐磨损、弹性模量大、强度高、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好、密度低、表面摩擦系数小、电绝缘性能好等特点；而化学性能方面，它还有耐腐蚀、抗氧化等优点。在电子封装中，硅酮加氮化硅薄膜的双层防护可以显著改善电子模块的防水性能。氮化硅作为一种钝化和绝缘薄膜材料，广泛应用于半导体器件和半导体集成电路。但是其本身介电常数较高，阻碍了其在封装领域绝缘材料的应用。
纳米二氧化硅因具有粒径很小、比表面积大、表面吸附力强及表面能大等特性而具有小尺寸效应、量子效应、表面效应及界面效应等性能。现如今，随着纳米技术突飞猛进的发展，不同种类的纳米二氧化硅材料的合成及应用也上升到了一个新的高度。但与氮化硅相比，纳米二氧化硅的热稳定性及化学稳定性较纳米氮化硅弱。
纳米氮化硅和纳米二氧化硅虽然各有优点，但其局限在于满足不了现代电子封装领域的高性能要求。
发明内容
基于此，有必要提供一种稳定性好、介电常数较低的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
进一步，提供一种纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法。
一种纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料，包括多个由纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒，其中，所述纳米氮化硅与所述纳米二氧化硅的质量比为1:1~10:1。
在其中一个实施例中，所述微粒的粒径为20纳米~100纳米。
在其中一个实施例中，包括如下步骤：
在搅拌条件下将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，向所述混合物中滴加酸溶液，得到纳米氮化硅分散液，其中，所述分散剂、纳米氮化硅和溶剂的固液比为0.1~10g:5~100g:10~200mL;
搅拌所述纳米氮化硅分散液，并调节所述纳米氮化硅分散液的pH值为9~12，然后向所述纳米氮化硅分散液滴加含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应36小时~84小时，得到悬浮液，其中，所述正硅酸乙酯与所述纳米氮化硅的质量比为10~200:5~100；
将所述悬浮液进行离心得到沉淀物，洗涤所述沉淀物并干燥得到纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
在其中一个实施例中，所述分散剂选自硅烷偶联剂KH-560及硅烷偶联剂KH-550中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述溶剂选自乙醇、丙酮及丁酮中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述得到纳米氮化硅分散液的步骤具体为在搅拌及超声波的作用下，将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，向所述混合物中滴加pH值为3.5~6的草酸溶液得到纳米氮化硅分散液。
在其中一个实施例中，搅拌所述纳米氮化硅分散液的步骤为在500转/分~1300转/分的转速下搅拌5分钟~20分钟。
在其中一个实施例中，所述含有正硅酸乙酯的溶液为将正硅酸乙酯溶解于乙醇中，并超声分散均匀得到。
在其中一个实施例中，所述洗涤的步骤具体为：在超声波作用下，将所述沉淀物用乙醇、丙酮或丁酮中的至少一种进行洗涤，然后进行离心，重复所述洗涤和离心各5次得到纯净的沉淀物。
在其中一个实施例中，所述干燥的步骤具体为于80℃下干燥10小时，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10小时。
上述纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料包括多个由纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒，纳米氮化硅作为内层，能够发挥纳米氮化硅热稳定性和化学稳定性较好的优点，纳米二氧化硅作为包覆外层，使得该复合材料能够发挥纳米二氧化硅介电常数较低的优点，纳米二氧化硅与纳米氮化硅按质量比1.546:1进行复合，使得该复合材料的稳定性好，介电常数较低，能够广泛应用于超大规模集成电路电子封装等领域。
附图说明
图1为一实施方式的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法流程图；
图2为实施例1制备的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的扫描电镜图；
图3为实施例4制备的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一实施方式的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料，包括多个由纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒。
其中，纳米氮化硅与纳米二氧化硅的质量比为1:1~10:1。
微粒的粒径优选为20纳米~100纳米。
纳米氮化硅纳米与二氧化硅按质量比1:1~10:1进行复合，纳米氮化硅作为内层，能够发挥纳米氮化硅在物理和化学性能方面的优点，如热稳定性和化学稳定性较好；纳米二氧化硅作为包覆外层，使得该复合材料具有纳米二氧化硅的粒径很小、比表面积大、表面吸附力强及表面能大等特性，特别是纳米二氧化硅的介电常数较低的优点，从而使得该纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料综合了二纳米二氧化硅和纳米氮化硅的优点，优劣互补，具有稳定性好、介电常数较低的优点，能够广泛应用于超大规模集成电路电子封装等领域。
请参阅图1，一实施方式的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：在搅拌条件下将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，向混合物中滴加酸溶液，得到纳米氮化硅分散液。
分散剂用于使纳米氮化硅均匀分散，以得到稳定的纳米氮化硅分散液。
分散剂优选自硅烷偶联剂KH-560及硅烷偶联剂KH-550中的至少一种。
纳米氮化硅优选采用粒径为15nm~80nm的纳米氮化硅。
溶剂选自乙醇、丙酮及丁酮中的至少一种。
为了提高纳米氮化硅的分散效果，配制纳米氮化硅分散液的过程中是在搅拌及超声波的双重作用下，将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，然后向混合物中滴加pH值为3.5~6的酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液。
酸溶液可以为草酸溶液、硝酸溶液、盐酸溶液等，优选为草酸溶液。
加入酸溶液的目的是使纳米氮化硅更稳定地分散于溶剂中。酸溶液的加入量是观察到纳米氮化硅均匀分散于溶剂中为止。
其中，分散剂、纳米氮化硅和溶剂的固液比为0.1~10g:5~100g:10~200mL，以使纳米氮化硅均匀地分散于溶剂中。
步骤S120：搅拌纳米氮化硅分散液，并调节纳米氮化硅分散液的pH值为9~12，然后向纳米氮化硅分散液滴加含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应36小时~84小时，得到悬浮液。
将纳米氮化硅分散液于500转/分~1300转/分的转速下搅拌5分钟~20分钟，然后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为9~12，再缓慢地滴加含有正硅酸乙酯的溶液，最后在室温下反应36小时~84小时，得到白色的悬浮液。
可以用常规的搅拌装置进行搅拌，如机械搅拌装置、磁力搅拌装置等，对设备要求较低。本实施方式采用德国仪科(IKA)的磁力搅拌装置。
其中，含有正硅酸乙酯的溶液为将正硅酸乙酯溶于乙醇中，并超声分散均匀得到。正硅酸乙酯易溶于乙醇中，将正硅酸乙酯溶于乙醇中使正硅酸乙酯的粘度适中，操作方便，能够准确控制正硅酸乙酯的加入量。并且，在乙醇的存在有利于正硅酸乙酯反应生成形貌规则的纳米二氧化硅。
含有正硅酸乙酯的溶液中，正硅酸乙酯和乙醇的固液比为1.5~30:10。
在进行反应之前，将纳米氮化硅于500转/分~1300转/分的转速下搅拌5分钟~20分钟，有利于进一步防止纳米氮化硅团聚，以制备得到粒径大小分布均匀的纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒。
正硅酸乙酯与纳米氮化硅的质量比为10~200:5~100。
通过合适的工艺控制合适粒径的大小纳米氮化硅均匀分散，采用正硅酸乙酯与纳米氮化硅的质量比为10~200:5~100，并结合具体的反应条件，控制纳米二氧化硅包覆层的厚度，以控制纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒的粒径大小。
反应在室温下进行，反应条件温和，能耗低，制备成本低。
步骤S130：将悬浮液进行离心得到沉淀物，洗涤沉淀物并干燥得到纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
将悬浮液进行离心得到沉淀物，在超声波作用下，将沉淀物用乙醇、丙酮或丁酮中的至少一种进行洗涤，然后进行离心，重复洗涤和离心各5次得到纯净的沉淀物。
将纯净的沉淀物放置于马沸炉中，于80℃下干燥10小时，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10小时，得到纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
制备得到的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料包括多个由纳米二氧化硅包覆在纳米氮化硅表面形成的微粒。微粒的粒径大小为20纳米~100纳米，其中，纳米氮化硅与纳米二氧化硅的质量比为1:1~10:1。
上述纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，工艺简单，反应条件温和，对设备要求低，原材料便宜、材料的综合生产成本低，易于实现大规模工业化生产。
该方法通过采用合适的工艺参数，制备得到粒径分布范围小、分散性良好的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。该方法可控性好，纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料中，纳米二氧化硅包覆层的厚度及纳米二氧化硅含量易于控制，可以根据不同的用途实施变更生产工艺、生产纳米二氧化硅含量不同、微粒的粒径不同从而得到性能不同的复合材料，以扩大纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的应用范围。
并且，这种方法制备得到纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料纯度较高，高达99.8%。
以下为具体实施例。
实施例1
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取0.1g的硅烷偶联剂KH550、5g的纳米氮化硅加入10mL丙酮中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为4的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于1000rpm转速下搅拌10min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为9，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为15g的含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应64h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用丙酮进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为20~40nm，平均粒径为25nm（参见图2）。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为45.2%，纳米氮化硅的质量百分比为54.0%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.2%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
实施例2
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取0.2g的硅烷偶联剂KH550、10g的纳米氮化硅加入20mL乙醇中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为5的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于1300rpm转速下搅拌15min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为10，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为30g的含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应50h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用乙醇进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为50~100nm，平均粒径为100nm。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为45.6%，纳米氮化硅的质量百分比为54.2%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.1%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
实施例3
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取0.1g的硅烷偶联剂KH560、5g的纳米氮化硅加入10mL乙醇中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为3.8的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于1000rpm转速下搅拌10min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为11，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为10g的含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应70h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用乙醇进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为60~100nm，平均粒径为90nm。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为18.6%，纳米氮化硅的质量百分比为80.8%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.4%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
实施例4
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取0.2g的硅烷偶联剂KH560、10g的纳米氮化硅加入10mL丙酮中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为4的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于900rpm转速下搅拌10min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为10，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为25g的含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应72h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用丙酮进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为40~45nm，平均粒径为50nm（参见图3）。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为41.2%，纳米氮化硅的质量百分比为57.9%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.8%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
实施例5
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取0.2g的硅烷偶联剂KH550、10的纳米氮化硅加入10mL丁酮中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为4.5的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于1100rpm转速下搅拌20min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为10，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为28g的含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应70h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用乙醇进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为40~80nm，平均粒径为60nm。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为43.9%，纳米氮化硅的质量百分比为55.6%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.5%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
实施例6
制备纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料
（1）在搅拌及超声波的作用下，称取5g硅烷偶联剂KH560、5g硅烷偶联剂KH550、50g的纳米氮化硅加入50mL丁酮和50mL丙酮的混合液中配制成混合物，然后向其中缓慢滴加pH为3.5的草酸溶液，得到分散性较好的纳米氮化硅分散液；
（2）将纳米氮化硅分散液置于1300rpm转速下搅拌20min后滴加氨水调节纳米氮化硅分散液的pH值为10，然后缓慢滴加已超声混合均匀的正硅酸乙酯溶解量为100g的正硅酸乙酯溶液，在室温下反应84h，得到白色的悬浮液，将悬浮液进行过滤得到沉淀物；
（3）将上述沉淀物用乙醇进行超声洗涤，然后离心，洗涤和离心各重复5次得到纯净的沉淀物，将该纯净的沉淀物置于马沸炉中，于80℃下干燥10h，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10h即得到白色的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
经扫描电镜测试，所得纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的颗粒粒径范围为30~90nm，平均粒径为55nm。
经成分含量分析，纳米二氧化硅的质量百分比为35.6%，纳米氮化硅的质量百分比为63.7%。纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的纯度为99.3%（纳米二氧化硅及纳米氮化硅的质量百分比含量之和）。
以上所述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本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。
Claims (8)
1.一种纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在搅拌条件下将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，向所述混合物中滴加酸溶液，得到纳米氮化硅分散液，其中，所述分散剂、纳米氮化硅和溶剂的固液比为0.1～10g:5～100g:10～200mL；
搅拌所述纳米氮化硅分散液，并调节所述纳米氮化硅分散液的pH值为9～12，然后向所述纳米氮化硅分散液滴加含有正硅酸乙酯的溶液，在室温下反应36小时～84小时，得到悬浮液，其中，所述正硅酸乙酯与所述纳米氮化硅的质量比为10～200:5～100；
将所述悬浮液进行离心得到沉淀物，洗涤所述沉淀物并干燥得到纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂选自硅烷偶联剂KH-560及硅烷偶联剂KH-550中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自乙醇、丙酮及丁酮中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述得到纳米氮化硅分散液的步骤具体为在搅拌及超声波的作用下，将分散剂和纳米氮化硅加入溶剂中得到混合物，向所述混合物中滴加pH值为3.5～6的草酸溶液得到纳米氮化硅分散液。
5.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，搅拌所述纳米氮化硅分散液的步骤为在500转/分～1300转/分的转速下搅拌5分钟～20分钟。
6.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述含有正硅酸乙酯的溶液为将正硅酸乙酯溶解于乙醇中，并超声分散均匀得到。
7.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述洗涤的步骤具体为：在超声波作用下，将所述沉淀物用乙醇、丙酮或丁酮中的至少一种进行洗涤，然后进行离心，重复所述洗涤和离心各5次得到纯净的沉淀物。
8.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的步骤具体为于80℃下干燥10小时，然后以10℃/min的升温速率升温至400℃，在400℃下干燥10小时。
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| CN1414037A (zh) * | 2002-11-15 | 2003-04-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 自润滑纳米复合材料及其制备方法 |
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| CN101609735A (zh) * | 2009-07-21 | 2009-12-23 | 中国地质大学（北京） | 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 |
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2012
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| Mechanical and dielectric properties of porous Si3N4-SiO2 composite ceramics;X. M. Li, et al;《Materials Science and Engineering A》;20090125;第500卷(第1-2期);63-69 * |
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