CN103332929B - 一种高致密度大尺寸azo靶材坯体的成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型工艺，其首先将ZnO和Al₂O₃超微粉混合造粒后，加去离子水、分散剂、固化剂和表面活性剂进行混合制浆，注入模具内成型，经过干燥、脱蜡后，得到相对密度为65％-75％的高密度大尺寸的AZO靶材坯体。本发明所制备的AZO靶材成型密度高，组织均匀性好，易制备出大尺寸AZO靶材，且成型坯体均匀性好。其工艺操作简单，易于控制，适合工业化生产。

Description

一种高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型工艺

技术领域

本发明涉及光电材料制备领域领域。具体涉及一种高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型工艺，采用此工艺流程能够生产出高致密度大尺寸的AZO靶材坯体。

背景技术

随着信息时代的迅猛发展，光电材料由于其优异的光学与电学性质而应用广泛。其中氧化物透明导电薄膜由于具有电导率高、光透过率高的特点，在发光二极管、透明电极、计算机、手机、显示器等光电产品中有着巨大的市场应用。

目前市场上应用最多的是ITO透明导电薄膜，其生产工艺已较为成熟，但是由于原料中的铟元素属于稀有金属元素，储量较小且具有一定的毒性，使得其在生产成本和安全性上存在着一定的局限，且存在着产品价格昂贵、高温下薄膜的光透过率降低等缺点。ZnO作为一种具有半导体性质的氧化物，本身具有良好的导电性能，具有价格低廉、原料丰富、无毒无害的特点，通过掺杂不同的元素如：Ga、Al、In等，同样可以制备出性能优异的透明导电薄膜。而其中目前研究最为广泛和深入，也是最有前景的就是AZO透明导电薄膜。

透明导电薄膜是由相应的靶材通过磁控溅射沉积而得来，因此靶材质量的好坏直接影响着薄膜性能的优劣。当前在制备AZO靶材的过程中主要面临的问题有：如何制备出完整的高致密度大尺寸AZO靶材。

目前常用的制备AZO靶材的方法是：采用干粉模压或者等静压作为成型方法，制备出一定尺寸的AZO坯体，对坯体按一定的烧结曲线进行烧结，即可得到AZO陶瓷靶材。其中AZO坯体的制备是整个生产流程的第一步也是最重要的一步，其质量的好坏直接影响着烧结过程和最终靶材的质量。干粉模压成型工艺简单快捷、易于操作，是常规的成型方法，但是对于大尺寸坯体存在着制造模具成本过高，模具损耗较大，压制过程中易受力不均造成密度不均匀，容易在坯体内部造成分层和缺陷等缺点；等静压成型工艺可制造密度均匀的坯体，但是所使用的模具制作复杂，不易制作，不易于制备大尺寸AZO坯体。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人经过长期试验和研究，提出一种高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型工艺，该工艺简便、实用、成本低廉、能够工业化生产的高密度大尺寸AZO坯体。

依据本发明的技术方案，高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型方法，其包括以下步骤：首先将ZnO和Al₂O₃超微粉混合造粒后，加去离子水、分散剂、固化剂和表面活性剂进行混合制浆，注入模具内成型，经过干燥、脱蜡后，得到相对密度为65％-75％的高密度大尺寸的AZO靶材坯体。

其中，氧化锌和氧化铝超微粉混合后，氧化铝占总粉体质量的1-3wt％(质量分数)；上述造粒方式为喷雾造粒，造粒后混合粉体的平均粒度在5μm-30μm(微米)，粉体流动性：60s(秒)/50g(克)-90s(秒)/50g(克)。

优选地，去离子水的加入量为造粒后混合粉体质量的15-40wt％(质量分数)。

优选地，分散剂为丙烯酰胺，其加入量为混合粉体质量的0.5-1.5wt％(质量分数)。

优选地，固化剂为阿拉伯树胶粉，其加入量为混合粉体质量的0.1-1wt％(质量分数)。表面活性剂为无水乙醇，其加入量为混合粉体质量的0.5-2wt％(质量分数)。分散剂、固化剂和表面活性剂可依顺序依次添加到粉体中，也可将分散剂、固化剂和表面活性剂与去离子水混合成溶液后一起加入到粉料中。

进一步地，混合制浆方式为球滚筒真空球磨，球磨时间为1h-5h(小时)。注浆过程在真空环境下进行。干燥过程在恒温恒湿环境下进行，相对湿度：30％-70％，温度：30℃-50℃(摄氏度)。当坯体恒重时将其进行脱蜡。脱蜡温度在脱蜡炉中进行，脱蜡温度：100℃-500℃(摄氏度)，升温速度：3℃-5℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度保温时间：2h-5h(小时)。

使用本发明的技术方案，其有益效果是：模具制作简单，成本低廉，易于制备大尺寸靶材；工艺流程操作简单，适于工业化生产；提高了浆料的固相体积分数，大幅度的降低了坯体中的气孔和缺陷，从而提高了坯体的密度和组织均匀性，此种方法得到的AZO坯体密度可达理论密度的65％-75％。

附图说明

图1为本发明技术方案所使用的一种圆筒形坯体模具截面图；

图2为本发明技术方案所使用的一种方板形坯体模具截面图；

图3为本发明技术方案所使用的另一种板形坯体模具截面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本技术领域，氧化锌铝可以缩写为AZO，也可以写为ALZO。本发明采用AZO的缩写形式。

在现有技术中，一般认为纳米或超细粉体经过成型工艺成型后所得的坯体的一次相对密度在68％以上就称之为高密度，目前国内通用AZO靶材尺寸是200*400m*10mm(毫米)，国际上最大的AZO靶材尺寸为400*600*10mm(毫米)，因此尺寸大于200*400*10mm(毫米)的靶材都可称之为大尺寸靶材。

本发明所提出的高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型方法，其包括以下步骤：首先将ZnO和Al₂O₃超微粉混合造粒后，加去离子水、分散剂、固化剂和表面活性剂进行混合制浆，注入模具内成型，经过干燥、脱蜡后，得到相对密度为65％-75％的高密度大尺寸的AZO靶材坯体。

为了更详细的阐述本发明的技术手段和功效，下面对本发明提出的技术方案进行更具体详细的说明。

氧化锌和氧化铝超微粉混合后氧化铝占总粉体质量的1-3wt％(质量分数)。其中，造粒方式为喷雾造粒，造粒后混合粉体的平均粒度在5μm-30μm(微米)，粉体流动性：60s(秒)/50g(克)-90s(秒)/50g(克)。优选地，去离子水的加入量为造粒后混合粉体质量的15-40wt％(质量分数)。分散剂为丙烯酰胺，分散剂加入量为混合粉体质量的0.5-1.5wt％(质量分数)；固化剂为阿拉伯树胶粉，固化剂加入量为混合粉体质量的0.1-1wt％(质量分数)；表面活性剂为无水乙醇，表面活性剂加入量为混合粉体质量的0.5-2wt％(质量分数)；分散剂、固化剂和表面活性剂可依顺序依次添加到氧化锌和氧化铝超微粉混合后的粉体中，也可将分散剂、固化剂和表面活性剂与去离子水混合成溶液后一起加入到粉体中。上述混合制浆方式为球滚筒真空球磨，球磨时间为1h-5h(小时)。并且，上述注浆过程在真空环境下进行。

为了保证得到优化产品，上述干燥过程在恒温恒湿环境下进行，相对湿度：30％-70％，温度：30℃-50℃(摄氏度)。当坯体恒重时将其进行脱蜡。进一步地，上述脱蜡温度在脱蜡炉中进行，脱蜡温度：100℃-500℃(摄氏度)，升温速度：3℃-5℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度保温时间：2h-5h(小时)。

下面结合附图和具体实施方式对本工艺过程进一步说明。

图1为本发明技术方案中所使用的圆筒形坯体模具截面图，按实际模具尺寸1∶5绘制而成，使用此模具可制作高350mm(毫米)，厚30mm(毫米)的圆筒形AZO靶材坯体。图1中的附图标记具体表示为：1、Φ150mm*400mm(毫米)实芯内圆柱体，2、Φ250mm*400mm*10mm(毫米)空心石膏圆筒，3、与上述形状尺寸相配的Φ250mm*50mm(毫米)圆饼形石膏底盘，4、400mm*40mm(毫米)圆筒形坯体腔。

图2为本发明技术方案中所使用的方板形坯体模具截面图，以实际模具尺寸1∶5绘制而成，使用此石膏模具浇注300mm*150mm*20mm(毫米)的方板状靶材坯体。图2中的附图标记具体表示为：21、200mm*25mm*40mm(毫米)方形石膏侧板，22、400mm*200mm*50mm(毫米)方形石膏底板，23、350mm*200mm*40mm(毫米)方形坯体腔。

图3为本发明技术方案中所使用的另一种板形坯体模具截面图，以实际模具尺寸1∶5绘制而成，使用此模具可浇注尺寸为400mm*600mm*30mm(毫米)的方形靶材坯体。图3中的附图标记具体表示为：31、450mm*650mm*10mm(毫米)方形石膏盖板，32、650mm*25mm*50mm(毫米)不锈钢或PVC方框，33、500mm*650mm*50mm(毫米)方形石膏底板，34、450mm*650mm*50mm(毫米)方形坯体浇注腔。

更近一步地，采用如下实施方式来实现本发明的技术方案。

实施方式一：

将5kg(千克)氧化锌和氧化铝超微粉混合，其中氧化铝超微粉占混合粉体总质量的2wt％(质量分数)，经过喷雾干燥造粒后得到平均粒度为10μm(微米)左右的AZO粉体，流动性60s(秒)/50g(克)，将造粒后的粉体加入装有10kg(千克)刚玉球的球磨罐中，向1L(升)去离子水中加入40g(克)丙烯酰胺、10g(克)阿拉伯树胶粉、50g(克)无水乙醇，搅拌完全后将混合溶液加入到球磨罐中，将球磨罐密封好对其抽真空后滚筒球磨2h(小时)，在真空环境下将制好的浆料浇注到附图1所示的模具内，浇注完成后，立刻将其移入恒温恒湿箱内进行干燥成型，在相对湿度为70％，温度50℃(摄氏度)的环境下干燥至恒重后，去除模具，将坯体放入脱蜡炉中进行脱蜡，升温速度5℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度500℃(摄氏度)，保温2h(小时)，即可得到相对密度68％的圆筒形AZO靶材坯体，外径*内径*高：230mm*150mm*350mm(毫米)。

实施方式二：

将5kg(千克)氧化锌和氧化铝超微粉混合，其中氧化铝超微粉占混合粉体质量的1wt％(质量分数)，经喷雾干燥造粒后得到平均粒度为7μm(微米)左右的AZO混合粉体，流动性73s(秒)/50g(克)，将造粒后的粉体加入装有10kg(千克)刚玉球的球磨罐中，向950mL(毫升)去离子水中加入40g(克)丙烯酰胺、15g(克)阿拉伯树胶粉、60g(克)无水乙醇，搅拌完全后将混合溶液加入到球磨罐中，将球磨罐密封好对其抽真空后滚筒球磨3h(小时)，在真空环境下将制好的浆料浇注到附图2所示模具内，浇注完成后，立刻将其移入恒温恒湿箱内进行干燥成型，在相对湿度为60％，温度30℃(摄氏度)的环境下干燥至恒重后，去除模具，将坯体放入脱蜡炉中进行脱蜡，升温速度3℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度500℃(摄氏度)，保温3h(小时)，即可得到相对密度71％，尺寸为350*150*20mm(毫米)的AZO靶材坯体。

实施方式三

将5kg(千克)氧化锌和氧化铝超微粉混合，其中氧化铝超微粉占混合粉体质量的3wt％(质量分数)，经喷雾干燥造粒后得到平均粒度为5μm(微米)左右的AZO混合粉体，流动性80s(秒)/50g(克)，将造粒后的粉体加入装有10kg(千克)刚玉球的球磨罐中，向900mL(毫升)去离子水中加入40g(克)丙烯酰胺、15g(克)阿拉伯树胶粉、80g(克)无水乙醇，搅拌完全后将混合溶液加入到球磨罐中，将球磨罐密封好对其抽真空后滚筒球磨5h(小时)，在真空环境下将制好的浆料浇注到附图3所示模具内，浇注完成后，立刻将其移入恒温恒湿箱内进行干燥成型，在相对湿度为70％，温度30℃(摄氏度)的环境下干燥至恒重后，去除模具，将坯体放入脱蜡炉中进行脱蜡，升温速度3℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度500℃(摄氏度)，保温5h(小时)，即可得到相对密度75％，尺寸为400mm*600mm*30mm(毫米)的AZO靶材坯体。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种高致密度大尺寸AZO靶材坯体的成型方法，其包括以下步骤：首先将ZnO和Al₂O₃超微粉混合造粒后，加去离子水、分散剂、固化剂和表面活性剂进行混合制浆，注入模具内成型，经过干燥、脱蜡后，得到相对密度为65％-75％的高密度大尺寸的AZO靶材坯体；

其中，氧化锌和氧化铝超微粉混合后氧化铝占总粉体质量的1-3wt％(质量分数)；造粒方式为喷雾造粒，造粒后混合粉体的平均粒度在5μm-30μm(微米)，粉体流动性：60s(秒)/50g(克)-90s(秒)/50g(克)；去离子水的加入量为造粒后混合粉体质量的15-40wt％(质量分数)；分散剂为丙烯酰胺，其加入量为混合粉体质量的0.5-1.5wt％(质量分数)；固化剂为阿拉伯树胶粉，其加入量为混合粉体质量的0.1-1wt％(质量分数)；表面活性剂为无水乙醇，其加入量为混合粉体质量的0.5-2wt％(质量分数)；分散剂、固化剂和表面活性剂依顺序依次添加到氧化锌和氧化铝超微粉混合后的粉体中；

混合制浆方式为滚筒真空球磨，球磨时间为1h-5h(小时)；注浆过程在真空环境下进行；干燥过程在恒温恒湿环境下进行，相对湿度：30％-70％，温度：30℃-50℃(摄氏度)；当坯体恒重时将其进行脱蜡；脱蜡温度在脱蜡炉中进行，脱蜡温度：100℃-500℃(摄氏度)，升温速度：3℃-5℃(摄氏度)/min(分钟)，最高温度保温时间：2h-5h(小时)；

其中所述高致密度为纳米或超细粉体经过成型工艺成型后所得的坯体的一次相对密度在68％以上；所述大尺寸AZO靶材为尺寸大于200毫米*400毫米*10毫米的靶材。

2.按照权利要求1所述的制备高致密度大尺寸AZO靶材坯体的方法，其特征是：上述试剂可依顺序依次添加到粉体中，也可将试剂与去离子水混合成溶液后一起加入到粉料中。