掺杂氧化铝透明陶瓷基片致密化行为的研究

摘要

当今世界电子技术发展迅速，半导体照明越来越受到关注，LED作为新型高效光源具有节能环保的优点。将LED制成白炽灯形状，多个LED芯片串联是提高LED灯功率的有效措施。作为LED灯芯承载基片的材料需要有高的导热性能，有利于LED灯泡热量的散失；还要有良好的透光性能，有利于光能的充分利用，且可减少光能向热能的转化，提高使用寿命。多晶透明氧化铝陶瓷生产成本低，导热性能好，透光性能较好，是LED灯基片的潜在的基片材料，受到研究者和LED灯制造者的关注。本文通过向氧化铝中添加烧结助剂、改变烧结工艺和采用流延成型的方法研究多晶氧化铝陶瓷的致密化行为，从而探索制备透明氧化铝基片的新工艺，具体研究结果如下：
　　（1）单组元添加剂对氧化铝陶瓷致密化性能的影响：
　　氧化镁掺氧化铝陶瓷，常压1550℃烧结4小时后，晶粒比未添加试样晶粒小，0.4wt％MgO相对密度最高；真空1850℃烧结8小时后，当MgO含量0.2wt%~0.6wt%时，试样达到完全致密化，无气孔，晶界干净微薄，试样透光性较好，呈半透明状。
　　氧化硅掺氧化铝陶瓷常压烧结，晶粒尺寸比未添加试样晶粒小，SiO2含量为0.1wt%相对密度最高。
　　氧化镧掺杂氧化铝陶瓷常压烧结，La2O3含量为0.5wt%相对密度最高，La2O3超过1.0wt%会生成第二相。
　　氧化钇掺杂氧化铝陶瓷常压烧结，Y2O3含量为0.75wt%时，无明显封闭气孔，相对密度最高；当Y2O3含量超过0.75wt%，在晶界生成第二相钇铝石榴石。
　　单独添加SiO2、La2O3、Y2O3，1850℃真空烧结8小时后，相对密度较高，晶粒粗大，晶界较粗厚，存在晶粒内部封闭气孔，试样透光性较差。
　　（2）复合掺杂对氧化铝陶瓷致密化性能的影响：
　　0.4wt%MgO+0.1wt%SiO2氧化铝陶瓷，常压1550℃烧结4小时后，相对密度98.556%，晶粒大小均匀，气孔少；1850℃真空烧结8小时后，相对密度99.059%，有少量气孔存在，晶界干净微薄，轻微透光。
　　0.4wt%MgO+0.5wt%La2O3氧化铝陶瓷，常压1550℃烧结4小时后，相对密度98.3%，晶粒大小均匀；1850℃真空烧结8小时后，晶粒比未添加试样小，无明显气孔存在，晶界干净微薄，相对密度达到99.6%，透光性好。
　　0.4wt%MgO+0.75wt%Y2O3氧化铝陶瓷，常压1550℃烧结4小时后，相对密度98.4%，气孔少；1850℃真空烧结8小时后，晶粒比未添加试样大，晶界较厚，有少量气孔存在，轻微透光。
　　（3）烧结温度对氧化铝陶瓷的致密化具有较大影响，当保温时间为8小时时，烧结温度由1800℃升至1850℃时，试样由不透明状变成半透明状，透光性能大大提高，而且晶粒大小均匀，相对密度最大。
　　（4）尝试采用流延成型方法制备掺镁氧化铝薄膜，试验结果表明，在真空1850℃烧结8小时条件下，随着氧化镁含量的提高，样品晶粒变小，气孔减少，当MgO含量为0.6wt%时，晶粒均匀，无明显气孔，在可见光区样品的透光率达到70%。