CN102875132B - 一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法，其目的在于克服传统凝胶注模凝胶注模成型工艺制备高纯氧化铝陶瓷材料采用的丙烯酰胺体系因神经毒性而无法批量工业化生产的问题。本发明包括水基凝胶体系预混液配制、氧化铝陶瓷浆料制备、脱泡、注模固化、干燥、脱脂及烧结等步骤。本发明方法简单易行，生产成本低，适合工业化大规模生产，脱模后的半成品干燥、烧结后变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铝陶瓷材料生产技术领域，特别涉及一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法。
背景技术
传统的凝胶注模成型工艺制备高纯氧化铝陶瓷材料，其基本原理为单体丙烯酰胺(AM)和交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)按照一定配比，外加引发剂和催化剂(抗氧化剂)配成预混液，再引入粉料和分散剂，经球磨、分散后配制成一定浓度的浆料，通过搅拌和真空脱气处理，注入模具在一定温度条件下进行固化反应，脱模后干燥和烧结即可。该成型工艺对于大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的批量生产，无法实现工业化生产。主要有以下几方面原因：1）丙烯酰胺(AM)具有神经性毒性，接触后极易被皮肤吸收，工业化生产困难；2） 高纯度氧化铝粉料中位粒径为0.5微米，比表面积高，反应活性大，容易团聚，制备高固相含量（≥80%）、低黏度（≤250mPa.S）的料浆体系困难，而大尺寸氧化铝陶瓷料浆处理量大，浆料经过抽真空处理气泡也难以完全脱出，成型后的坯体内产生气孔等缺陷，导致材料的力学性能和电学性能达不到半导体行业的使用要求。3）凝胶体系固化速度太快（10～20分钟），特别针对大尺寸陶瓷材料的浇注成型，球磨和真空搅拌脱气周期长，生产过程中反应不易控制，容易产生局部结块现象，导致产品成型后脱模干燥后容易因局部密度不均匀而开裂； 4）坯体表面因空气中的氧阻止其聚合反应，干燥后容易起皮剥落，导致产品净尺寸成型精密性下降。
CN1389428A的发明公开了一种亚微米高纯透明氧化铝陶瓷材料的制备方法，它依次含有如下的步骤：用干压加冷等静压的成型工艺把α-Al2O3粉末成型，然后对这些坯体使用无压预烧结：无压预烧结的温度为(1200～1350)℃，时间为(30～480)分钟；把预烧结后的坯体置入热等静压炉中进行后处理，处理温度为(1150～1350)℃，压力为(140～190)MPa，保温保压的时间为(30～60)分钟，用Ar气作保护气，得到的陶瓷体相对密度大于99.9%；最后对烧结出的陶瓷体进行平面磨制和抛光。该制备方法不适于工业化生产大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的在于克服传统凝胶注模凝胶注模成型工艺制备高纯氧化铝陶瓷材料采用的丙烯酰胺体系因神经毒性而无法批量工业化生产的问题，提供一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法，方法简单易行，生产成本低，适合工业化大规模生产，脱模后的半成品干燥、烧结后变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法，所述的制备方法步骤如下：
（1）水基凝胶体系预混液配制：按重量份计，将二甲基丙烯酰胺15-20份、 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）0.2-0.3份、过硫酸胺（APS）0.1-0.2份及蒸馏水100份搅拌混合均匀成水基凝胶体系预混液备用；过硫酸胺为引发剂。
（2）氧化铝陶瓷浆料制备：按重量份计，将改性高纯氧化铝粉150-400份、水基凝胶体系预混液100份及浆料流动性能调节剂3-5份用球磨机高速球磨搅拌1-2小时后，制得固相含量为60%-85%，黏度200-250mPa.s的氧化铝陶瓷浆料；
（3）脱气：向步骤（2）制得的氧化铝陶瓷浆料中加入占氧化铝陶瓷浆料重量0.5%-1%的抗氧化剂，倒入真空搅拌脱泡器中进行搅拌脱气处理30分钟以上得料浆；通过在氧化铝陶瓷浆料中引入抗氧化剂，可防止半成品干燥后因表皮氧化而起皮剥落。
（4）注模固化：将步骤（3）获得的料浆倒入模具中，在50-65℃的恒温水浴中进行固化，1-2小时后取出，冷却后脱模；
（5）干燥：将脱模后的半成品在氮气气氛保护下的恒温恒湿干燥箱中干燥；氮气气氛保护，保持产品与氧气隔绝，避免产品起皮和开裂现象发生。
（6）脱脂：将干燥后的半成品放入脱脂炉内进行脱脂排气；
（7）烧结：将脱脂后的半成品放入烧结炉中烧结后，获得大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料成品。
本发明开发了一种低毒水基凝胶体系，用二甲基丙烯酰胺取代了有毒性的丙烯酰胺，干燥后的素坯（即干燥后的半成品）强度可达到20Mpa以上，毛坯（即脱模后的半成品）可生加工，可满足大尺寸氧化铝陶瓷批量工业化生产的需求。
本发明开发了一种固相含量高达85%、黏度达250mPa.S左右的氧化铝陶瓷浆料体系，该浆料体系因较高固相含量，脱模后的半成品干燥、烧结后变形和收缩小，适合生产大尺寸氧化铝陶瓷产品。
作为优选，步骤（2）中所述改性高纯氧化铝粉由以下方法制备而成：按重量份计，将亚微米α-Al2O3 100份、有机酸盐溶液0.5-1.5份及蒸馏水70-80份混合球磨3-4小时后制成浆料，浆料于80-125℃下干燥5-10小时后得改性高纯氧化铝粉。
作为优选，所述有机酸盐溶液是将棕榈酸和癸二酸与氨水反应制成，棕榈酸、癸二酸及氨水的摩尔比为1:1:3-4。
作为优选，亚微米α-Al2O3的纯度在99.5%以上，亚微米α-Al2O3的平均粒径≤0.5μm。
作为优选，步骤（2）中所述浆料流动性能调节剂是由低分子量聚丙烯酸盐分散剂和有机硅消泡剂按照1：1-5的重量配比混合而成。
作为优选，步骤（3）中所述抗氧化剂为N-甲基-2-砒咯烷酮；真空搅拌脱泡器的真空度在-0.095Mpa~-0.09Mpa。
作为优选，步骤（5）中恒温恒湿干燥箱的温度控制在40-110℃，湿度控制在40%-90%，干燥时间在6天以上。这样控制，干燥过程中半成品变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
作为优选，步骤（2）的球磨机及步骤（3）的真空搅拌脱泡器上均设置循环水冷系统，由水冷机提供的循环水温度低于10℃以下，始终保持氧化铝陶瓷浆料体系温度低于25℃。这样设置能大大降低氧化铝陶瓷浆料体系的反应活性，从而有效延长了氧化铝陶瓷浆料体系的固化时间，在固化处理前，不容易局部固化，浆料的均匀性好，工艺过程易于控制，保证获得的产品品质佳。
作为优选，步骤（6）脱脂的温度控制如下：
①室温升温至200℃，时间在8-10h；
②200℃维持6-7小时；
③200℃升温至350℃，时间在25-27h；
④350℃维持7-9小时；
⑤350℃升温至850℃，时间在12-15h；
⑥温度到达850℃之后自然冷却至室温。
控制脱脂的温度工艺曲线，脱脂效果好，半成品变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
作为优选，步骤（7）烧结的温度控制如下：
①室温升温至210℃，时间在8-10h；
②210℃维持1-2小时；
③210℃升温至650℃，时间在6-7h；
④650℃维持2-3小时；
⑤650℃升温至1100℃，时间在20-22h；
⑥1100℃维持4-6小时；
⑦1100℃升温至1600℃，时间在92-95h；
⑧1600℃降温至850℃，时间在35-36h；
⑨温度降至850℃之后自然冷却至室温。
控制烧结的温度工艺曲线，半成品变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
本发明的有益效果是：通过在氧化铝陶瓷浆料中引入抗氧化剂，可防止半成品干燥后因表皮氧化而起皮剥落。方法简单易行，生产成本低，适合工业化大规模生产，脱模后的半成品干燥、烧结后变形和收缩小，获得的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料品质佳。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
本发明采用的亚微米α-Al2O3的纯度在99.5%以上，亚微米α-Al2O3的平均粒径≤0.5μm。
实施例1：
（1）水基凝胶体系预混液配制：将二甲基丙烯酰胺15kg、 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺0.2 kg、过硫酸胺0.1 kg及蒸馏水100 kg搅拌混合均匀成水基凝胶体系预混液备用。
（2）氧化铝陶瓷浆料制备：将改性高纯氧化铝粉150 kg、水基凝胶体系预混液100 kg及浆料流动性能调节剂3kg用球磨机高速球磨搅拌1小时后，制得固相含量为60%左右，黏度200mPa.s左右的氧化铝陶瓷浆料；改性高纯氧化铝粉由以下方法制备而成：将亚微米α-Al2O3 100kg、有机酸盐溶液0.5kg及蒸馏水70kg混合球磨3小时后制成浆料，浆料于80℃下干燥10小时后得改性高纯氧化铝粉。有机酸盐溶液是将棕榈酸和癸二酸与氨水反应制成，棕榈酸、癸二酸及氨水的摩尔比为1:1:3。浆料流动性能调节剂是由低分子量聚丙烯酸盐分散剂（型号TH-1100，市售）和有机硅消泡剂（市售）按照1：1的重量配比混合而成
（3）脱气：向步骤（2）制得的氧化铝陶瓷浆料中加入占氧化铝陶瓷浆料重量0.5%的N-甲基-2-砒咯烷酮，倒入真空搅拌脱泡器中进行搅拌脱气处理30分钟得料浆。真空搅拌脱泡器的真空度在-0.095Mpa~-0.09Mpa。
步骤（2）的球磨机及步骤（3）的真空搅拌脱泡器上均设置循环水冷系统，由水冷机提供的循环水温度低于10℃以下，始终保持氧化铝陶瓷浆料体系温度低于25℃。
（4）注模固化：将步骤（3）获得的料浆倒入模具中，在50℃的恒温水浴中进行固化， 2小时后取出，冷却后脱模。
（5）干燥：将脱模后的半成品在氮气气氛保护下的恒温恒湿干燥箱中干燥。恒温恒湿干燥箱的温度和湿度控制曲线如下：
①温度控制在40℃，湿度控制在90%，干燥时间72小时；
②温度控制在60℃，湿度控制在80%，干燥时间72小时；
③温度控制在80℃，湿度控制在60%，干燥时间48小时；
④温度控制在100℃，湿度控制在40%，干燥时间48小时；
⑤自然冷却至室温；
（6）脱脂：将干燥后的半成品放入脱脂炉内进行脱脂排气。
脱脂的温度工艺曲线如下：
①室温升温至200℃，时间在8h；
②200℃维持7小时；
③200℃升温至350℃，时间在25h；
④350℃维持9小时；
⑤350℃升温至850℃，时间在12h；
⑥温度到达850℃之后自然冷却至室温。
（7）烧结：将脱脂后的半成品放入烧结炉中烧结后，获得大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料成品。
烧结的温度工艺曲线如下：
①室温升温至210℃，时间在8h；
②210℃维持2小时；
③210℃升温至650℃，时间在6h；
④650℃维持3小时；
⑤650℃升温至1100℃，时间在20h；
⑥1100℃维持6小时；
⑦1100℃升温至1600℃，时间在92h；
⑧1600℃降温至850℃，时间在35h；
⑨温度降至850℃之后自然冷却至室温。
产品性能指标：
① 纯度：99.944%；
② 密度：3.93g/cm3；
③ 抗弯曲强度：416MPa。
实施例2：
（1）水基凝胶体系预混液配制：将二甲基丙烯酰胺20kg、 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺0.3 kg、过硫酸胺0.2 kg及蒸馏水100 kg搅拌混合均匀成水基凝胶体系预混液备用。
（2）氧化铝陶瓷浆料制备：将改性高纯氧化铝粉400 kg、水基凝胶体系预混液100 kg及浆料流动性能调节剂5 kg用球磨机高速球磨搅拌2小时后，制得固相含量为85%左右，黏度250mPa.s左右的氧化铝陶瓷浆料；改性高纯氧化铝粉由以下方法制备而成：将亚微米α-Al2O3 100kg、有机酸盐溶液1.5kg及蒸馏水80kg混合球磨4小时后制成浆料，浆料于125℃下干燥5小时后得改性高纯氧化铝粉。有机酸盐溶液是将棕榈酸和癸二酸与氨水反应制成，棕榈酸、癸二酸及氨水的摩尔比为1:1: 4。浆料流动性能调节剂是由低分子量聚丙烯酸盐分散剂和有机硅消泡剂按照1：5的重量配比混合而成
（3）脱气：向步骤（2）制得的氧化铝陶瓷浆料中加入占氧化铝陶瓷浆料重量1%的N-甲基-2-砒咯烷酮，倒入真空搅拌脱泡器中进行搅拌脱气处理60分钟得料浆。真空搅拌脱泡器的真空度在-0.095Mpa~-0.09Mpa。
步骤（2）的球磨机及步骤（3）的真空搅拌脱泡器上均设置循环水冷系统，由水冷机提供的循环水温度低于10℃以下，始终保持氧化铝陶瓷浆料体系温度低于25℃。
（4）注模固化：将步骤（3）获得的料浆倒入模具中，在65℃的恒温水浴中进行固化，1小时后取出，冷却后脱模。
（5）干燥：将脱模后的半成品在氮气气氛保护下的恒温恒湿干燥箱中干燥。恒温恒湿干燥箱的温度和湿度控制曲线如下：
①温度控制在40℃，湿度控制在90%，干燥时间48小时；
②温度控制在60℃，湿度控制在80%，干燥时间48小时；
③温度控制在80℃，湿度控制在60%，干燥时间24小时；
④温度控制在100℃，湿度控制在40%，干燥时间24小时；
⑤自然冷却至室温；
（6）脱脂：将干燥后的半成品放入脱脂炉内进行脱脂排气。
脱脂的温度工艺曲线如下：
①室温升温至200℃，时间在10h；
②200℃维持6小时；
③200℃升温至350℃，时间在27h；
④350℃维持7小时；
⑤350℃升温至850℃，时间在15h；
⑥温度到达850℃之后自然冷却至室温。
（7）烧结：将脱脂后的半成品放入烧结炉中烧结后，获得大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料成品。
烧结的温度工艺曲线如下：
①室温升温至210℃，时间在10h；
②210℃维持1小时；
③210℃升温至650℃，时间在7h；
④650℃维持2小时；
⑤650℃升温至1100℃，时间在22h；
⑥1100℃维持4小时；
⑦1100℃升温至1600℃，时间在95h；
⑧1600℃降温至850℃，时间在36h；
⑨温度降至850℃之后自然冷却至室温。
产品性能指标：
① 纯度：99.938%；
② 密度：3.91g/cm3；
③ 抗弯曲强度：395MPa。
实施例3：
（1）水基凝胶体系预混液配制：将二甲基丙烯酰胺17kg、 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺0.25 kg、过硫酸胺0.15 kg及蒸馏水100 kg搅拌混合均匀成水基凝胶体系预混液备用。
（2）氧化铝陶瓷浆料制备：将改性高纯氧化铝粉300 kg、水基凝胶体系预混液100 kg及浆料流动性能调节剂4 kg用球磨机高速球磨搅拌1.5小时后，制得固相含量为80%左右，黏度220mPa.s左右的氧化铝陶瓷浆料；改性高纯氧化铝粉由以下方法制备而成：将亚微米α-Al2O3 100kg、有机酸盐溶液1kg及蒸馏水75kg混合球磨3.5小时后制成浆料，浆料于100℃下干燥7小时后得改性高纯氧化铝粉。有机酸盐溶液是将棕榈酸和癸二酸与氨水反应制成，棕榈酸、癸二酸及氨水的摩尔比为1:1:3。浆料流动性能调节剂是由低分子量聚丙烯酸盐分散剂和有机硅消泡剂按照1：2的重量配比混合而成
（3）脱气：向步骤（2）制得的氧化铝陶瓷浆料中加入占氧化铝陶瓷浆料重量0.8%的N-甲基-2-砒咯烷酮，倒入真空搅拌脱泡器中进行搅拌脱气处理50分钟得料浆。真空搅拌脱泡器的真空度在-0.095Mpa~-0.09Mpa。
步骤（2）的球磨机及步骤（3）的真空搅拌脱泡器上均设置循环水冷系统，由水冷机提供的循环水温度低于10℃以下，始终保持氧化铝陶瓷浆料体系温度低于25℃。
（4）注模固化：将步骤（3）获得的料浆倒入模具中，在60℃的恒温水浴中进行固化，1小时后取出，冷却后脱模。
（5）干燥：将脱模后的半成品在氮气气氛保护下的恒温恒湿干燥箱中干燥。恒温恒湿干燥箱的温度控制曲线如下：
①温度控制在40℃，湿度控制在90%，干燥时间72小时；
②温度控制在60℃，湿度控制在80%，干燥时间48小时；
③温度控制在80℃，湿度控制在60%，干燥时间24小时；
④温度控制在100℃，湿度控制在40%，干燥时间24小时；
⑤自然冷却至室温；
（6）脱脂：将干燥后的半成品放入脱脂炉内进行脱脂排气。
脱脂的温度控制如下：
①室温升温至200℃，时间在9h；
②200℃维持6小时；
③200℃升温至350℃，时间在26h；
④350℃维持8小时；
⑤350℃升温至850℃，时间在14h；
⑥温度到达850℃之后自然冷却至室温。
（7）烧结：将脱脂后的半成品放入烧结炉中烧结后，获得大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料成品。
烧结的温度控制如下：
①室温升温至210℃，时间在9h；
②210℃维持1小时；
③210℃升温至650℃，时间在6h；
④650℃维持3小时；
⑤650℃升温至1100℃，时间在21h；
⑥1100℃维持5小时；
⑦1100℃升温至1600℃，时间在93h；
⑧1600℃降温至850℃，时间在35h；
⑨温度降至850℃之后自然冷却至室温。
产品性能指标：
① 纯度： 99.945%；
② 密度：3.93g/cm3；
③ 抗弯曲强度：419MPa。
本发明的产品显微结构均匀，内部无气孔缺陷。产品尺寸规格为1000～3500mm（长）*20～1000（宽）*10～60mm（厚）不等，可根据用户需求加工为各种形状的陶瓷部件，具有很好的绝缘性，高强度，耐热性，和耐负离子照射等特性，广泛应用于液晶显示器制造装置的绝缘薄板和液晶玻璃板搬运用机械手臂以及电子半导体产业、光电产业、IC、Wafer等制程、封装、太阳能、测试设备上的精密陶瓷零组件。
本发明产品特点：① 产品尺寸规格长度方向可达到3500mm，可满足十代液晶面板生产需求； ② 大件产品可任意形状切割，满足客户使用需求；③由于采用浇注成型生产，无需大型等静压成型设备，只需制作塑料模具或者玻璃模具即可生产出大型板材、大型托盘用饼材和其他异型规格产品，生产成本极低，具有很强的竞争优势。
本发明生产的大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料，性能指标均完全满足半导体和液晶行业的使用要求。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (8)
1.一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法步骤如下：
（1）水基凝胶体系预混液配制：按重量份计，将二甲基丙烯酰胺15-20份、 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺0.2-0.3份、过硫酸胺0.1-0.2份及蒸馏水100份搅拌混合均匀成水基凝胶体系预混液备用；
（2）氧化铝陶瓷浆料制备：按重量份计，将改性高纯氧化铝粉150-400份、水基凝胶体系预混液100份及浆料流动性能调节剂3-5份用球磨机高速球磨搅拌1-2小时后，制得固相含量为60%-85%，黏度200-250mPa·s的氧化铝陶瓷浆料；所述改性高纯氧化铝粉由以下方法制备而成：按重量份计，将亚微米α-Al2O3 100份、有机酸盐溶液0.5-1.5份及蒸馏水70-80份混合球磨3-4小时后制成浆料，浆料于80-125℃下干燥5-10小时后得改性高纯氧化铝粉；所述有机酸盐溶液是将棕榈酸和癸二酸与氨水反应制成，棕榈酸、癸二酸及氨水的摩尔比为1:1:3-4；
（3）脱气：向步骤（2）制得的氧化铝陶瓷浆料中加入占氧化铝陶瓷浆料重量0.5%-1%的抗氧化剂，倒入真空搅拌脱泡器中进行搅拌脱气处理30分钟以上得料浆；
（4）注模固化：将步骤（3）获得的料浆倒入模具中，在50-65℃的恒温水浴中进行固化，1-2小时后取出，冷却后脱模；
（5）干燥：将脱模后的半成品在氮气气氛保护下的恒温恒湿干燥箱中干燥；
（6）脱脂：将干燥后的半成品放入脱脂炉内进行脱脂排气；
（7）烧结：将脱脂后的半成品放入烧结炉中烧结后，获得大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：亚微米α-Al2O3的纯度在99.5%以上，亚微米α-Al2O3的平均粒径≤0.5μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述浆料流动性能调节剂是由低分子量聚丙烯酸盐分散剂和有机硅消泡剂按照1：1-5的重量配比混合而成。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述抗氧化剂为N-甲基-2-砒咯烷酮；真空搅拌脱泡器的真空度在-0.095MPa~-0.09MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）中恒温恒湿干燥箱的温度控制在40-110℃，湿度控制在40%-90%，干燥时间在6天以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）的球磨机及步骤（3）的真空搅拌脱泡器上均设置循环水冷系统，由水冷机提供的循环水温度低于10℃，始终保持氧化铝陶瓷浆料体系温度低于25℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（6）脱脂的温度控制如下：
①室温升温至200℃，时间在8-10h；
②200℃维持6-7小时；
③200℃升温至350℃，时间在25-27h；
④350℃维持7-9小时；
⑤350℃升温至850℃，时间在12-15h；
⑥温度到达850℃之后自然冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（7）烧结的温度控制如下：
①室温升温至210℃，时间在8-10h；
②210℃维持1-2小时；
③210℃升温至650℃，时间在6-7h；
④650℃维持2-3小时；
⑤650℃升温至1100℃，时间在20-22h；
⑥1100℃维持4-6小时；
⑦1100℃升温至1600℃，时间在92-95h；
⑧1600℃降温至850℃，时间在35-36h；
⑨温度降至850℃之后自然冷却至室温。
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