低温烧结的99氧化铝陶瓷及其制造方法和用途

摘要

本发明公开了一种特征在于低温烧结、氧化铝重量百分比为99％或99.6％的陶瓷，通常简称为99％或99.6％氧化铝陶瓷及其制造方法。其特点是以平均颗粒尺寸为2.0－2.5μm的99％或99.6％氧化铝粉体为原料，加入余量重量百分比的由Y2O3，ZrO2，MgO两种或者三种混合组成的助烧剂，利用流延成型或干压成型等工艺制得陶瓷生坯，陶瓷生坯经过排胶后在普通硅钼棒电炉或硅钼棒隧道窑中，在≤1650℃的温度下，保温1－4小时烧结，即可制得高致密度、表面光滑平整、性能优异的99氧化铝陶瓷基板和99氧化铝陶瓷件。

说明书

技术领域

本发明涉及低温烧结的99氧化铝陶瓷及其制造方法和用途，属于特种陶瓷及其制造领域。

背景技术

通常的99氧化铝陶瓷基板或99氧化铝陶瓷结构件大都采用平均颗粒尺寸为2.0-2.5μm的氧化铝粉体为原料，在较高温度(≥1750℃)的下进行烧结的技术。由于该温度极高，而一般连续式电热隧道窑极限使用温度为(1680℃)，不能满足烧结要求，因此必须采用间歇式氢气气氛炉或传统热压烧结。这两种种烧结方法设备要求高，产量少，综合成本高。而目前的各种氧化铝陶瓷烧结窑炉主要为连续式电热隧道窑，该温度也达不到传统99氧化铝陶瓷的烧结温度要求。随着技术的进步，目前可采用超细粉体作为原料以达到低温烧结的目的，烧结温度低于1680℃，这样可以使用一般连续式电热隧道窑进行大量烧结。但是采用超细粉体在陶瓷生坯成型上有极大的困难，目前是不可能利用流延法规模化生产大面积陶瓷基板的。其原因如下：

1.适用于低温烧结的超细粉体一般平均颗粒尺寸小于1μm，通常团聚严重不易分散。而采用流延工艺生产99氧化铝基板要求陶瓷粉体平均颗粒尺寸为2.0-2.5μm。这样配置成同等流动性能的流延浆料需要大量的溶剂来有效的分散粉料，形成流动性。这样导致浆料的固相含量(主要是无机料含量)相对很低，最终导致生坯的成型性能和烧结后的陶瓷体性能都严重恶化。

2.浆料的固相含量低的同时会导致流延过程种中开裂严重，干燥十分困难，干燥时生坯容易卷曲变形。同时烧结变形也相应较大，产品尺寸难于控制，成品率极低。因此也就不能适应大面积陶瓷基板的规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温烧结、高性能99氧化铝陶瓷及其制造方法和用途。本发明的上述目的是采用如下技术方案于以实现的：

本发明产品的基本化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃             99-99.6％；

余量为ZrO₂、MgO、Y₂O₃中任意两种或三种化合物的混合物。

本发明产品的较佳化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃                 99％；

ZrO₂                    0.1-0.5％；

MgO                     0.1-0.5％；

余量为Y₂O₃。

以上述基本化学组成为基本重量计量单位，可选择添加：

Cr₂O₃   0.01％，或者；

TiO₂     0.01-0.5％；或者；

La₂O₃   0.01-0.5％。

本发明制造方法的基本特点是以平均颗粒尺寸为2.0-2.5μm的氧化铝粉体为原料，加入计量的由Y₂O₃，ZrO₂，MgO两种或者三种混合组成的助烧剂，或者进一步选择加入少量Cr₂O₃、TiO₂或La₂O₃，以利于低温烧结和提高陶瓷产品的机电性能。利用流延成型或干压成型工艺制得陶瓷生坯，陶瓷生坯经过排胶后在普通硅钼棒电炉或硅钼棒隧道窑中，在≤1650℃的温度下，保温1-4小时烧结，即可制得高致密度、表面光滑平整、性能优异的99氧化铝陶瓷基板和99氧化铝陶瓷件。

本发明制造方法适于制造厚度仅为0.2-1.2mm的氧化铝陶瓷基板。

1.采用较细粉体高质量高效流延成型技术，保证陶瓷基板产品质量的稳定，显著的提高了成品率和合格率。流延使用的有机溶剂可以回收重复使用，极大的避免了环境污染。

2.采用适合于低温(小于1650℃)大气气氛烧结的化学配方组成，可以使用普通硅钼棒电热隧道窑来进行大批量的99氧化铝陶瓷基板或99氧化铝陶瓷件的生产，极大的提高了产量和降低了成本。

实施方式

以下结合具体实施方式详述本发明

实施方式一：99氧化铝陶瓷基板—流延法

本发明产品的基本化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃           99％；

余量为ZrO₂、MgO、Y₂O₃中任意两种或三种化合物的混合物。

实施方式二：本发明产品的较佳基本化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃             99％；

ZrO₂               0.1-0.5％；

MgO                0.1-0.5％；

余量为Y₂O₃。

实施方式三：本发明产品的另一种基本化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃              99.6％；

余量为ZrO₂、MgO、Y₂O₃中任意两种或三种化合物的混合物。

实施方式四：本发明产品的另一较佳基本化学组成是：(以重量百分组成计)

AL₂O₃             99.6％；

ZrO₂               0.1-0.2％；

MgO                0.1-0.2％；

余量为Y₂O₃。

实施方式五：以上述实施方式二的基本化学组成为基本重量计量单位，可选择添加：

Cr₂O₃             0.01％，

实施方式六：以上述实施方式二的基本化学组成为基本重量计量单位，可选择添加：

TiO₂               0.01-0.5％；

实施方式七：以上述实施方式四的基本化学组成为基本重量计量单位，可选择添加：

La₂O₃             0.01-0.5％。

实施方式八：本发明制造方法

首先按照计量配比称量无机料：氧化铝、氧化钇(Y₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)，总计100％(重量百分比表示)。

按实施方式一至七的配方要求，称量好相应的无机物料加入球磨机，同时加入相应的流延成型有机助剂，包括分散剂1-2％，粘接剂3-8％，增塑剂1-5％，溶剂40-50％等。(以无机料为基础计算，重量百分比表示)球磨24小时制成流延浆料。

上述配方中分散剂为油酸或三油酸甘油酯GTO，粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛PVB，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯DBP和邻苯二甲酸二辛酯DOP的混合物(重量比1∶1)，溶剂为无水乙醇。球磨后的流延浆料富含大量的气泡，必须经过真空搅拌除泡10-30分钟，控制浆料粘度10000-30000mPa.s，然后在大型流延机上进行流延，同时在60℃-100℃下干燥2-3小时，制备成一定厚度的99氧化铝陶瓷生坯。流延后的生坯放在承烧板上，以0.5-1.5℃/min的升温速率从室温升到600℃，保温4小时排胶。然后在小于1650℃下烧结1-4小时。烧结后的基板经过喷砂和整平处理，即可得到高致密度、光滑平整、性能优异的99氧化铝陶瓷基板，厚度为0.2-1.2mm范围内可调。

实施方式九：99氧化铝陶瓷件—干压法

首先按照计量配比称量无机料：氧化铝、氧化钇(Y₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)、总计100％(重量百分比表示)。

按以上99氧化铝陶瓷无机料配方组成要求称量配料，加入相应的干压成型有机助剂(主要是指普通干压粘接剂如PVA的水溶液、糊精的水溶液及其它聚合物粘接剂等，加入量7％)球磨制成干压用料浆，干压料浆经过喷雾造粒后得到平均粒度小于0.2mm的干压粉料，干压粉料直接加入金属模具干压成型，成型压力100-200Mpa。成型后的生坯置于烘箱或烘房内在80-100℃下干燥控制水分小于0.5％，充分干燥后的生坯放在承烧板上入窑在相对低温(小于1650℃)下烧结1-4小时。即可制的高致密度、性能优异的99氧化铝陶瓷件。

采用以上两种方法制得的99氧化铝陶瓷化学组成如下：

AL₂O₃：99％  ZrO₂：0.1-0.5％  MgO：0.1-0.5％  Y₂O₃：0.1-0.5％

采用以上方法制得的99氧化铝陶瓷主要技术性能指标如下：

体积密度：3.92g/cm³                   GB2413-81

体积电阻率：4.0*10¹⁴Ω·cm 25℃       Agilent高阻测试仪

介质损耗(1MHz)：4×10^-4               Agilent精密LCR测试仪

抗弯强度：≥360MPa                     抗折实验机

表面粗糙度：0.15-0.25μm               表面粗糙度/轮廓测试仪

平行度：0.10mm(MAX)                    平行度测试仪

线性膨胀系数：7.5-8.2*10^-6mm/℃(RT～800) GB5594.3

介电常数：9.8-10.0(1MHz)                  Agilent精密LCR测试仪

热导率(20℃)：≥25(W/m.K)                 脉冲激光法

平整度(mm)：0.04/25(～/25(长))            平整度测试仪

直角度：0.10MAX(mm)                       直角度测试仪