權(quán)利要求
1.球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,包括以下制備步驟:
S1,將鋁粉、金屬粉及金屬氧化物添加劑按一定比例進行混合球磨并過篩;
S2,將過篩后的混合料放置于自蔓延反應(yīng)釜中,反應(yīng)釜抽真空后將高純氮氣注入反應(yīng)釜至一定壓力,待壓力穩(wěn)定后進行自蔓延反應(yīng),得到氮化鋁原粉;
S3,配置含有一定表面修飾劑濃度的純水作為溶劑,將溶劑和步驟S2反應(yīng)得到的氮化鋁原粉放入球磨機中, 加入分散劑及粘接劑,球磨攪拌均勻,得到水系漿料;
S4,將步驟S3得到的水系漿料進行噴霧造粒,控制相關(guān)參數(shù)得到目標粒徑的造粒粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述步驟S1中的金屬粉為鋅粉或鎂粉或兩者的混合物,其與鋁粉的質(zhì)量比為0.005~0.03:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述步驟S1中的金屬氧化物添加劑為氧化釔或氧化鈣,金屬氧化物添加劑與鋁粉的質(zhì)量比為0.01~0.2:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述步驟S2中在反應(yīng)釜混合料的前端放置一定質(zhì)量的引燃劑,所述引燃劑為鈦粉與鐵粉質(zhì)量比為1:1的混合物,引燃劑質(zhì)量與鋁粉的質(zhì)量比為0~0.01:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述的步驟S3中的表面修飾劑選自磷酸、磷酸二氫鋁中的一種或兩種,表面修飾劑在水中的濃度為1wt%~5wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述的步驟S3中的分散劑選自油酸乙脂、魚油、鄰苯二甲酸二丁酯中的一種或任意幾種,與固體粉體的質(zhì)量比為0.005~0.015:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述步驟S3中的粘結(jié)劑選自聚乙烯醇縮丁醛酯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或任意幾種,粘結(jié)劑與固體粉體的質(zhì)量比為0.01~0.03:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形氮化鋁造粒粉的制備方法,其特征在于,所述步驟S3中,所述漿料研磨后的中位粒徑為1.2~5.5um。
9.一種球形氮化鋁填料粉的制備方法,其特征在于:將根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項制備得到的球形造粒粉進行如下制備步驟:
S5,將造粒粉進行低溫煅燒的排膠處理,排掉分散劑和粘結(jié)劑中的有機組分;
S6,將排膠后的粉體放置于石墨燒結(jié)爐中進行高溫煅燒,得到球形氮化鋁填料粉。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的球形氮化鋁填料粉的制備方法,其特征在于:所述低溫煅燒溫度為550-600℃,所述高溫煅燒溫度為1650~1850℃,高溫煅燒過程中爐內(nèi)氣氛為流動氮氣氣氛。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無機非金屬粉體材料技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種球形氮化鋁造粒粉及填料粉的制備方法。
背景技術(shù)
[0002]隨著電子產(chǎn)品及其器件的小型化和高度集成化,散熱問題已經(jīng)成為制約電子技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸,而其中決定散熱功效的熱界面材料等導熱復合材料更是受到人們越來越多的關(guān)注。目前商業(yè)導熱復合材料一般由具有塑性的有機物和導熱填料復合而成。由于有機物的熱導率很低,一般小于0.5W/m·K,所以導熱復合材料的熱導率主要由導熱填料決定。目前市場上應(yīng)用最廣泛的填料是以A12O3等為代表的氧化物填料,但氧化鋁的本征熱導率只有38~42W/m·K,受其限制,將很難制備出滿足未來散熱材料市場需求的導熱復合材料。與之相比,AlN的理論熱導率高達320W/m·K,且具有熱膨脹系數(shù)小、絕緣性能好、介電常數(shù)低、與硅膨脹系數(shù)相匹配等優(yōu)異性能,因此以AlN粉體為填料來制備導熱復合材料近年來受到熱捧。
[0003]氮化鋁具備高的熱導率,良好的電絕緣性以及低的介電損耗,是一種非常理想的基板材料及電子器件封裝材料。氮化鋁粉體的性能對基板材料的性能有著重要的影響,隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,微波器件及毫米波器件被廣泛應(yīng)用,高性能的氮化鋁成為當今研究的熱點之一。截止目前,生產(chǎn)氮化鋁粉體的方法主要有三種:直接氮化法、碳熱還原法和高能球磨法,面臨的主要問題是反應(yīng)溫度高、團聚結(jié)塊、粉體易被二次污染、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)率低、耗能大、不能批量生產(chǎn),這些問題是導致氮化鋁粉體價格昂貴的主要因素。碳熱還原法是目前應(yīng)用最多的制備方法,通常將鋁源和碳源均勻混合,然后置于氮氣氣氛中加熱,然后發(fā)生反應(yīng)得到含有過量碳的氮化鋁粉體半成品。然后將半成品進行排碳處理,即可得到氮化鋁粉體成品。而炭黑屬于電損耗介質(zhì),具有較高的電導率和較大的介電常數(shù),因此,隨著氮化粉體中碳含量的升高,氮化鋁填料粉的介電損耗逐漸升高;當?shù)X粉體中碳含量較高時,會對其介電性能,尤其是介電損耗產(chǎn)生較大的不利影響。
[0004]此外,氮化鋁極易水解,在氮化鋁填料粉的制備過程中,通常是采用有機溶劑代替水系溶劑來進行噴霧造粒,這對設(shè)備的性能及使用安全提出了較高的需求,且進一步增大了材料的生產(chǎn)成本。
[0005]公開號為CN111517802A的中國專利公開了一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法,其將鋁源、碳源和溶劑濕法球磨后于高壓流體氣氛中干燥,將前驅(qū)體進行高溫氮化后再進行除碳處理,得到氮化鋁陶瓷粉體。該方法只公開了原粉的制備,且制備工藝復雜、耗能高、成本高,且對如何將原粉進一步加工成為造粒粉沒有進行進一步的處理。
[0006]公開號為CN111499388A的中國專利公開了一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法,將鋁源和碳源在含氮氣的氣氛中反應(yīng),得到含有氮化鋁和過量碳源的半成品;將半成品在含氧氣體中進行第一次排碳處理,得到初排碳粉體;將初排碳粉體置于回轉(zhuǎn)窯中、以二氧化碳為反應(yīng)氣體進行第二次排碳處理,得到氮化鋁陶瓷粉體。該方法為碳熱還原法,雖然改進了后期的除碳工藝,但是粉體制備流程變得更加復雜,且只提供了原粉的制備生產(chǎn)工藝,而缺乏如何將原粉進一步加工成為陶瓷用造粒粉體的處理。
[0007]公開號為CN1142477A的中國專利公開了一種自蔓延高溫合成氮化鋁粉末的制備方法,將金屬鋁粉和氮化鋁粉體按照一定比例混合,然后加入稀釋劑裝入環(huán)狀鋁箔筒中,抽真空并通入氮氣,經(jīng)點火后在高壓容器中進行自蔓延反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束冷卻得到氮化鋁粉體。其中的稀釋劑為氟化銨與氯化銨的混合物,由于氟化銨與氯化銨在高溫條件下容易揮發(fā)且有毒,因此對生產(chǎn)環(huán)境要求高,不利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
發(fā)明內(nèi)容
[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,提供一種球形氮化鋁造粒粉及填料粉的制備方法,該方法貫穿了氮化鋁原粉、造粒粉及高導熱填料粉的制備,解決了球形氮化鋁填料粉原料成本高、生產(chǎn)周期長、制備工藝復雜、產(chǎn)品易水解等一系列工藝難點。
[0009]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明提出一種球形氮化鋁造粒粉的制備方法,包括如下制備步驟:
S1,將鋁粉、金屬粉及金屬氧化物添加劑按一定比例進行混合球磨并過篩;
S2,將過篩后的混合料放置于自蔓延反應(yīng)釜中,反應(yīng)釜抽真空后將高純氮氣注入反應(yīng)釜至一定壓力,待壓力穩(wěn)定后進行自蔓延反應(yīng),得到氮化鋁原粉;
S3,配置含有一定表面修飾劑濃度的純水作為溶劑,將溶劑和步驟S2反應(yīng)得到的氮化鋁原粉放入球磨機中, 加入分散劑及粘接劑,球磨攪拌均勻,得到水系漿料;
S4,將步驟S3得到的水系漿料進行噴霧造粒,控制相關(guān)參數(shù)得到目標粒徑的造粒粉。
[0010]在一個或多個實施方式中,所述步驟S1中的金屬粉為鋅粉或者鎂粉或兩者的混合物,其與鋁粉的質(zhì)量比為0.005~0.03:1。
[0011]在一個或多個實施方式中,所述步驟S1中的金屬氧化物添加劑為氧化釔或氧化鈣,金屬氧化物添加劑與鋁粉的質(zhì)量比為0.01~0.2:1。
[0012]在一個或多個實施方式中,所述步驟S2中在反應(yīng)釜混合料的前端放置一定質(zhì)量的引燃劑,所述引燃劑為鈦粉與鐵粉質(zhì)量比為1:1的混合物,引燃劑質(zhì)量與鋁粉的質(zhì)量比為0~0.01:1。
[0013]在一個或多個實施方式中,所述的步驟S3中的表面修飾劑選自磷酸、磷酸二氫鋁中的一種或兩種,表面修飾劑在水中的濃度為1wt%~5wt%。
[0014]在一個或多個實施方式中,所述的步驟S3中的分散劑選自油酸乙脂、魚油、鄰苯二甲酸二丁酯中的一種或任意幾種,與固體粉體的質(zhì)量比為0.005~0.015:1。
[0015]在一個或多個實施方式中,所述步驟S3中的粘結(jié)劑選自聚乙烯醇縮丁醛酯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或任意幾種,與固體粉體的質(zhì)量比為0.01~0.03:1;所述漿料研磨后的中位粒徑為1.2~5.5um。
[0016]本發(fā)明還提出了一種球形氮化鋁填料粉的制備方法,其包括如下制備步驟:
S1,將鋁粉、金屬粉及金屬氧化物添加劑按一定比例進行混合球磨并過篩;
S2,將過篩后的混合料放置于自蔓延反應(yīng)釜中,反應(yīng)釜抽真空后將高純氮氣注入反應(yīng)釜至一定壓力,待壓力穩(wěn)定后進行自蔓延反應(yīng),得到氮化鋁原粉;
S3,配置含有一定表面修飾劑濃度的純水作為溶劑,將溶劑和步驟S2反應(yīng)得到的氮化鋁原粉放入球磨機中, 加入分散劑及粘接劑,球磨攪拌均勻,得到水系漿料;
S4,將步驟S3得到的水系漿料進行噴霧造粒,控制相關(guān)參數(shù)得到目標粒徑的造粒粉;
S5,將造粒粉進行低溫煅燒的排膠處理,排掉分散劑和粘結(jié)劑中的有機組分;
S6,將排膠后的粉體放置于石墨燒結(jié)爐中進行高溫煅燒,得到球形氮化鋁填料粉。
[0017]在一個或多個實施方式中,所述低溫煅燒溫度為550-600℃,所述高溫煅燒溫度為1650~1850℃,高溫煅燒過程中爐內(nèi)氣氛為流動氮氣氣氛。
[0018]本發(fā)明公開的球形氮化鋁造粒粉及填料粉的制備方法,所述的造粒粉和填料粉用原粉采用原位自蔓延合成方法獲得,通過球磨改性、水系造粒技術(shù)獲得氮化鋁填料造粒粉,最后通過高溫排膠和煅燒獲得氮化鋁填料粉,該填料粉球形度高、氮化鋁物相含量高、粒徑可調(diào)、振實密度優(yōu)良。
[0019]本發(fā)明以鋁粉、金屬粉、金屬氧化物添加劑為主要原料,采用原位自蔓延合成氮化鋁粉體,金屬粉具有較強的親氧能力,可以降低氮化鋁自蔓延合成過程中的殘留的氧組分;此外,金屬粉氮化物相比氮化鋁的飽和蒸氣壓更高,氮化物高溫揮發(fā)會沖破反應(yīng)產(chǎn)生的團聚體,提高產(chǎn)品的分散性。金屬氧化物添加劑能促進高溫液相的生成,有利于晶粒的傳質(zhì)和生長,使得晶粒的形貌更加規(guī)則,尺寸更均勻。將所制得的氮化鋁粉體進行濕法球磨,通過添加磷酸等表面修飾劑,在球磨過程中其與氮化鋁粉體表面產(chǎn)生反應(yīng),阻止了其在球磨過程中的水解反應(yīng),從而得到了可用于噴霧造粒的水系漿料,避免了有機溶劑的使用,進一步降低了材料的生產(chǎn)成本及工藝風險。
[0020]此外,因為表面修飾劑對粉體表面的修飾,會降低后期造粒粉體的高溫煅燒溫度,進一步降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。后將球磨后的水系漿料進行噴霧造粒,通過控制相關(guān)工藝參數(shù),得到粒度適中,流動性良好的氮化鋁造粒粉;最后將造粒粉于煅燒爐中進行排膠后再于石墨爐中進行高溫燒結(jié),得到高導熱氮化鋁填料粉。本發(fā)明貫穿了氮化鋁原粉及高導熱填料粉的制備,解決了氮化鋁填料粉原料成本高、生產(chǎn)周期長、制備工藝復雜、產(chǎn)品易水解等一系列工藝難點,且采用的工業(yè)原料來源廣泛,適應(yīng)于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。在導熱硅膠和硅脂、高導熱塑料、高溫密封膠粘劑和電子封裝材料等方面具有極大的應(yīng)用前景。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果在于:
1、本發(fā)明球形氮化鋁造粒粉和填料粉的制備方法包括了從原粉制備、造粒粉制備到填料粉制備的完整的生產(chǎn)工藝流程,生產(chǎn)工藝簡單,成本低廉,原材料來源廣,突破了諸多工藝難點,且采用的工業(yè)原料來源廣泛,可應(yīng)用于大批量規(guī)?;a(chǎn)。
[0022]2、本發(fā)明原粉生產(chǎn)工藝通過添加金屬粉和金屬氧化物添加劑,保證了原位自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物較低的氧含量及反應(yīng)轉(zhuǎn)化率;對比當前主要的碳熱還原工藝,其生產(chǎn)周期短,材料成本低,設(shè)備要求簡單,無后期諸多除碳工藝。
[0023]3、本發(fā)明采用水系造粒工藝,相比于目前所應(yīng)用的有機溶劑造粒工藝,其安全系數(shù)大大增高,操作性強,成本低廉。
[0024]4、本發(fā)明通過添加表面修飾劑,使得氮化鋁粉體在水系溶劑中造粒成為可能,且經(jīng)表面修飾后的氮化鋁造粒粉的高溫煅燒溫度大大降低,節(jié)約了生產(chǎn)成本,保證了產(chǎn)品的應(yīng)用性能。
[0025]5、本發(fā)明制備的球形氮化鋁填料粉,流動性好,粉體堆積密度高,提高了其在有機樹脂體系中的添加量和填充度,使得應(yīng)用終端材料的導熱性能更優(yōu)異。
附圖說明
[0026]圖1為實施例一制備的球形氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖;
圖2為實施例一制備的球形氮化鋁造粒粉XRD圖;
圖3為實施例一制備的球形氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖;
圖4為實施例一制備的球形氮化鋁填料粉XRD圖;
圖5為實施例二制備的球形氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖;
圖6為實施例二制備的球形氮化鋁造粒粉XRD圖;
圖7為實施例二制備的球形氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖;
圖8為實施例二制備的球形氮化鋁填料粉XRD圖;
圖9為實施例三制備的球形氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖;
圖10為實施例三制備的球形氮化鋁造粒粉XRD圖;
圖11為實施例三制備的球形氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖;
圖12為實施例三制備的球形氮化鋁填料粉XRD圖。
具體實施方式
[0027]下面結(jié)合附圖,對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細描述,但應(yīng)當理解本發(fā)明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。
[0028]除非另有其它明確表示,否則在整個說明書和權(quán)利要求書中,術(shù)語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的成分或組成部分,而并未排除其它成分或其它組成部分。
[0029]以下將結(jié)合附圖所示的具體實施方式對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0030]實施例一
步驟一,將15kg鋁粉、150g鎂粉與675克氧化釔放置于100L容積球磨機中進行球磨混合,球磨介質(zhì)為50kg φ10mm的95氧化鋁球,球磨轉(zhuǎn)速為150r/min,球磨混料時間為3h;
步驟二,將球磨過篩后的粉體放置于體積為50L的自蔓延反應(yīng)釜中,配置75g引燃劑(鈦粉與鐵粉比例為1:1)用于點火反應(yīng);物料配置完畢后,關(guān)閉反應(yīng)釜,將反應(yīng)釜抽真空,然后向反應(yīng)釜中充入高純氮氣至5MPa,待壓力穩(wěn)定后進行點火反應(yīng),5h后收集反應(yīng)冷卻后的氮化鋁原粉物料;
步驟三,配置8kg含3wt%磷酸的純水,取10kg反應(yīng)后的氮化鋁原粉,將純水、氮化鋁原粉倒入立式球磨機中進行攪拌球磨,同時加入50g油酸乙酯作為分散劑,加入200g聚乙烯醇縮丁醛酯粘結(jié)劑,待漿料的中位粒徑達到4um時,得到可以噴霧造粒的水系漿料;
步驟四,將步驟三得到的水系漿料進行噴霧造粒得到造粒粉,保持進口溫度240℃,出口溫度108℃,離心霧化頻率80Hz;
步驟五,將步驟四得到的造粒粉進行低溫煅燒的排膠處理,溫度580℃,時間16h,排掉分散劑及粘結(jié)劑中的有機組分;
步驟六,將排膠后的粉體放置于石墨燒結(jié)爐中進行高溫煅燒,溫度為1790℃,煅燒時間10h,氮氣流速為0.5m3/h,煅燒結(jié)束后得到氮化鋁填料粉。
[0031]圖1、2為本實施例制備的氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖和造粒粉XRD圖,圖3、4為本實施例制備的氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖和氮化鋁填料粉XRD圖,本實施例制備的氮化鋁填料粉性能測試結(jié)果見下表1。
[0032]從圖1~圖4和表1可以看出,本實施例制備得到的氮化鋁粉體顆粒分布良好,物相組成為AlN和Y2O3,物相單一;所獲得的氮化鋁填料粉球形度高,物相組成為AlN和AlYO3,氮化鋁含量為95.88wt%,氧含量為1.33wt%,振實密度為2.073g/cm3。
[0033]實施例二
重復實施例一中的所有步驟,唯一不同之處是在步驟一中,將鎂粉更換為鋅粉。
[0034]圖5、6為本實施例制備的氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖和造粒粉XRD圖,圖7、8為本實施例制備的氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖和氮化鋁填料粉XRD圖,本實施例制備的氮化鋁填料粉性能測試結(jié)果見下表1。
[0035]從圖5~圖8和表1可以看出,本實施例制備得到的氮化鋁粉體顆粒分布良好,物相組成為AlN和Y2O3,物相單一;所獲得的氮化鋁填料粉球形度高,物相組成為AlN、AlYO3、Al5Y3O12,氮化鋁含量為95.69wt%,氧含量為1.54wt%,振實密度為2.038g/cm3。
[0036]實施例三
重復實施例一中的所有步驟,唯一不同之處是在步驟一中,將添加150g鎂粉改為添加75g鎂粉和75g鋅粉的混合物。
[0037]圖9、10為本實施例制備的氮化鋁造粒粉SEM掃描電鏡圖和造粒粉XRD圖,圖11、12為本實施例制備的氮化鋁填料粉SEM掃描電鏡圖和氮化鋁填料粉XRD圖,本實施例制備的氮化鋁填料粉性能測試結(jié)果見下表1。
[0038]從圖9~圖12和表1可以看出,本實施例制備得到的氮化鋁粉體顆粒分布良好,物相組成為AlN和Y2O3,物相單一;所獲得的氮化鋁填料粉球形度高,物相組成為AlN和AlYO3,氮化鋁含量為95.85wt%,氧含量為1.28wt%,振實密度為2.110g/cm3。
[0039]對比例一
重復實施例一中的所有步驟,唯一不同之處是在步驟一中,不添加任何金屬粉。
[0040]結(jié)合表1,對比實施例一的結(jié)果可知,因為未添加金屬粉,此時得到的填料粉中氮化鋁含量急劇降低,為83.35wt%,氧含量大幅升高,為7.64wt%,振實密度降低至1.890g/cm3。這是因為添加金屬粉后,其在自蔓延反應(yīng)中會優(yōu)先與氧結(jié)合,起到除氧的作用,且金屬粉的高溫蒸氣壓比鋁大,其高溫揮發(fā)物會沖破鋁粉熔融產(chǎn)生的團聚體,促進鋁粉反應(yīng)完全,提高產(chǎn)物中氮化鋁的純度和填料粉產(chǎn)物振實密度。
[0041]表1 制備氮化鋁填料粉測試結(jié)果匯總表
上表1為實施例一至實施例三、以及對比例一制備氮化鋁填料粉測試結(jié)果匯總表,從表1中可以看出,本發(fā)明制備的氮化鋁填料粉純度高、球形度高、AlN物相含量高、粒徑可調(diào)、振實密度優(yōu)良。
[0042]前述對本發(fā)明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式,并且很顯然,根據(jù)上述教導,可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實際應(yīng)用,從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。
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