CN103880462A - 氧化锆陶瓷的低温粘结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了氧化锆陶瓷的低温粘结方法，并按以下步骤制备：按照制备玻璃的步骤制备CAS、BAS和LAS玻璃；将制备出的LAS玻璃用研钵研碎，并加入去离子球磨后得到LAS玻璃粉，将CAS、BAS和LAS玻璃和去离子水的混合浆料在恒温烘箱中干燥后得到CAS、BAS和LAS玻璃粉；将CAS、BAS和LAS玻璃粉和5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末按照一定比例混合得到CAS-YSZ、BAS-YSZ及LAS-YSZ浆料备用；将上述浆料均匀涂覆在平直的YSZ基片上，盖上另一片平直的YSZ基片，在一定的温度下保温0.5小时后随炉冷却，粘结性较好的氧化锆陶瓷材料。本发明获得的粘结剂可用于平板式或NOX传感器的制备，其制备方法具有安全、省时、节能等优点,是一个很有应用前景的新方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种能在较低温度（975～1300℃）下粘结氧化锆陶瓷的低温粘结方法。所述低温粘结方法用于氧化锆结构陶瓷及功能陶瓷之间的粘结。最典型的用途是在制备汽车氧传感器敏感元件时用作氧化锆陶瓷基片之间的粘结剂。
背景技术
共烧多层陶瓷基板是由许多单片陶瓷基板经过叠层、热压、脱胶、烧结等工艺制成。由于共烧陶瓷多层基板的层数可以做得比较多,因此布线密度较高,互连线长度也能得到尽可能地缩短,从而组装密度和信号传输速度均得以提高。因为共烧陶瓷多层基板能适应电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠、高速度、大功率的要求,所以获得了广泛应用。
目前共烧陶瓷多层基板的发展非常迅速,预计共烧陶瓷多层基板将来的应用领域为:高频应用、新型陶瓷材料、埋置无源元件、细间距互连和热控制技术。在国外,陶瓷共烧技术（包括高温共烧技术HTCC和低温共烧技术LTCC）的主要技术是被少数几个大公司掌握的,而在国内几乎没有拥有自主知识产权的材料体系和器件,因此,大力发展具有自主知识产权的陶瓷材料及共烧技术已是大势所趋。而陶瓷基板的粘结，尤其在较低温度下的粘结是陶瓷共烧技术的一个重点和难点。
氧化锆陶瓷作为结构陶瓷和功能陶瓷用于日常生活中的各个方面，例如用于手表的结构件、作为研磨介质的小球、各种刀具及坩埚等；作为功能陶瓷主要用于固体燃料电池及汽车氧传感器等方面。尤其随着工业的快速发展及环境污染问题的日益加重，各种用途的氧传感器的需求量越来越大。其中随着汽车工业的快速发展，汽车氧传感器的需求量越来越大，目前汽车氧传感器已经从管式向片式及NOx发展，但是目前国内片式氧传感器还不能进入整车市场，NOx传感器还处于研发阶段，导致上述传感器性能不佳的原因是多方面的，其中已经烧结好的陶瓷基片间的连接是其中一个重要的方面。由于氧传感器或者NOx传感器层数较多，而且每一层的功能不同，因此对陶瓷粘结剂有着特定的要求，需要其在特定的温度下能将已经烧结好的片粘结起来、具有一定的粘结强度并且具有满足样品需求的导电性等。
发明内容
本发明的目的是研究出能满足需求的无机粘结剂、在975～1300℃之间能将已经烧结好的氧化锆陶瓷基片连接、并且提供较强粘结强度及导电性的新方法，例如，用于汽车氧传感器领域。
一方面，本发明提供一种氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，所述方法包括：
(a)提供玻璃粉，其中，所述玻璃粉选自CaO-Al2O3-SiO2(CAS)玻璃粉、BaO-Al2O3-SiO2(BAS)玻璃粉和Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃粉；
(b)提供5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末；
(c)用去离子作为分散介质，将所述玻璃粉与5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末混合，球磨5～10小时，得到混合的玻璃粉-YSZ浆料；其中，以粉末的总质量计，所述CAS、BAS和LAS玻璃粉为5～40质量%，余量为5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末；所述去离子水占粉体总质量的50～80%；
(d)将所述玻璃粉-YSZ浆料均匀涂覆在YSZ基片上，并盖上另一片YSZ基片，在975～1300℃的电炉中保温0.5～3小时后随炉冷却，形成所述氧化锆陶瓷基板。
在本发明优选的实施方式中，所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法还包括：
(1)所述CAS、BAS和LAS玻璃粉末预先分别加入去离子水进行球磨5～10小时，得到粒径为0.5～1微米的玻璃粉和去离子水的混合浆料；
(2)在80～120℃的恒温烘箱中分别干燥所述混合浆料10～20小时，得到粒径为0.5～1微米的CAS、BAS和LAS玻璃粉。
在本发明优选的实施方式中，所述YSZ基片进行预处理，且该YSZ基片是平直的。
在本发明优选的实施方式中，步骤(c)中，所述球磨使用行星磨进行。
在本发明优选的实施方式中，在步骤(d)中，在1050～1200℃的电炉中保温。
在本发明优选的实施方式中，在步骤(d)中，在电炉中保温0.5-2小时。
另一方面，本发明涉及所述方法制得的氧化锆陶瓷基板在氧传感器敏感元件中的应用。
具体来说，本发明的目的可以这样实现：
(1)按照制备玻璃的步骤分别制备CaO-Al2O3-SiO2(CAS)玻璃粉、BaO-Al2O3-SiO2(BAS)玻璃粉和Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃粉；
(2)将制备出的CAS、BAS和LAS玻璃用研钵研碎，分别加入去离子水球磨5～10小时后得到粒径为0.5～1微米之间的上述3种玻璃粉和去离子水的混合浆料，分别将上述3种混合浆料在80～120℃的恒温烘箱中干燥10～20小时后得到粒径为0.5～1微米之间的CAS、BAS和LAS玻璃粉；
(3)按照CAS、BAS和LAS玻璃粉占质量分数的5～40%，其余为5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末，用去离子作为分散介质，其中去离子水占粉体总质量的50～80%，在行星磨上球磨5～10小时后得到混合得到CAS-YSZ、BAS-YSZ及LAS-YSZ浆料备用；
(4)将上述三种浆料分别均匀涂覆在平直的YSZ基片上，盖上另一片平直的YSZ基片，在975～1300℃的电炉中保温0.5～2小时后随炉冷却，得到粘结性较好的氧化锆陶瓷材料。
本发明的低温粘结方法可以在975～1300℃下粘结已经烧结好的氧化锆陶瓷基片，可用于结构复杂、功能特殊的氧化锆陶瓷结构件及以氧化锆陶瓷作为基板的功能陶瓷结构件中。所述低温粘结方法具有安全、省时、节能等优点,是一个很有应用前景的新方法。本发明所得材料目前国内外文献没有报道，创新性较高。
附图简述
图1是本发明进行剪切强度的测量实验的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。需要注意的是，本发明的内容并不限于这些具体的实施方式。在不背离本发明背景和精神的前提下，本领域技术人员在阅读本发明的内容的基础上可以进行等价替换和修改，其内容也包括在本发明要求保护的范围内。
实施例
按照以下步骤进行氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法：
(1)按照现有技术中制备玻璃的步骤制备CaO-Al2O3-SiO2（CAS）玻璃粉；
(2)将制备出的CAS玻璃用研钵研碎，并加入去离子球磨10小时后得到粒径为0.6微米的CAS玻璃粉浆料，将CAS玻璃粉和去离子水的混合浆料在120℃的恒温烘箱中干燥10小时后得到粒径为0.6微米的CAS玻璃粉；
(3)称取CAS玻璃粉10g和5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末40g，用去离子作为分散介质，其中，去离子水占粉体总质量的50%，在行星磨上球磨10小时后得到混合CAS-YSZ浆料备用；
(4)将CAS-YSZ浆料均匀涂覆在平直的YSZ基片上，盖上另一片平直的YSZ基片，在1200℃的电炉中保温2小时后随炉冷却，形成粘结性较好的氧化锆陶瓷材料。
在本实施例1中反映粘结性效果的参数用剪切强度测试结果（剪切强度测试所用的仪器为：5566万能材料试验机，样品尺寸要求：10×10×20mm两根样品一组，然后两个样品沿长度方向的1/2处相互粘结；然后沿相反的方向牵拉；实验图例见图1）来表示，具体测试结果如下表1所示。
实施例2
按照以下步骤进行氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法：
(1)按照现有技术中制备玻璃的步骤制备BaO-Al2O3-SiO2（BAS）玻璃粉；
(2)将制备出的BAS玻璃用研钵研碎，并加入去离子球磨10小时后得到粒径为0.68微米的BAS玻璃粉浆料，将BAS玻璃粉和去离子水的混合浆料在120℃的恒温烘箱中干燥10小时后得到粒径为0.68微米的BAS玻璃粉；
(3)称取BAS玻璃粉15g和5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末35g，用去离子作为分散介质，其中去离子水占粉体总质量的50%，在行星磨上球磨10小时后得到混合LAS-YSZ浆料备用；
(4)将LAS-YSZ浆料均匀涂覆在平直的YSZ基片上，盖上另一片平直的YSZ基片，在1100℃的电炉中保温2小时后随炉冷却，形成粘结性较好的氧化锆陶瓷材料。
在本实施例2中反映粘结性效果的参数用剪切强度测试结果来表示，具体测试结果如下表1所示。
实施例3
按照以下步骤进行氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法：
(1)按照现有技术中制备玻璃的步骤制备Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）玻璃粉；
(2)将制备出的LAS玻璃用研钵研碎，并加入去离子球磨10小时后得到粒径为0.5微米的LAS玻璃粉浆料，将LAS玻璃粉和去离子水的混合浆料在120℃的恒温烘箱中干燥10小时后得到粒径为0.5微米的LAS玻璃粉；
(3)称取LAS玻璃粉10g和5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末40g，用去离子作为分散介质，其中去离子水占粉体总质量的50%，在行星磨上球磨10小时后得到混合LAS-YSZ浆料备用；
(4)将LAS-YSZ浆料均匀涂覆在平直的YSZ基片上，盖上另一片平直的YSZ基片，在1000℃的电炉中保温2小时后随炉冷却，形成粘结性较好的氧化锆陶瓷材料。
在本实施例3中反映粘结性效果的参数用剪切强度测试结果来表示，具体测试结果如下表1所示。
表1：
Claims (7)
1.一种氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，所述方法包括：
(a)提供玻璃粉，其中，所述玻璃粉选自CaO-Al2O3-SiO2(CAS)玻璃粉、BaO-Al2O3-SiO2(BAS)玻璃粉和Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃粉；
(b)提供5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末；
(c)用去离子作为分散介质，将所述玻璃粉与5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末混合，球磨5～10小时，得到混合的玻璃粉-YSZ浆料；其中，以粉末的总质量计，所述CAS、BAS和LAS玻璃粉为5～40质量%，余量为5Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末；所述去离子水占粉体总质量的50～80%；
(d)将所述玻璃粉-YSZ浆料均匀涂覆在YSZ基片上，并盖上另一片YSZ基片，在975～1300℃的电炉中保温0.5～3小时后随炉冷却，形成所述氧化锆陶瓷基板。
2.如权利要求1所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，其特征在于，
(1)所述玻璃粉末预先分别加入去离子水进行球磨5～10小时，得到粒径为0.5～1微米的玻璃粉和去离子水的混合浆料；
(2)在80～120℃的恒温烘箱中分别干燥所述混合浆料10～20小时，得到粒径为0.5～1微米的玻璃粉。
3.如权利要求1所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，其特征在于，所述YSZ基片进行预处理，且该YSZ基片是平直的。
4.如权利要求1所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，其特征在于，步骤(c)中，所述球磨使用行星磨进行。
5.如权利要求1所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，其特征在于，在步骤(d)中，在1050～1200℃的电炉中保温。
6.如权利要求1或4所述氧化锆陶瓷基板的低温粘结方法，其特征在于，在步骤(d)中，在电炉中保温0.5-2小时。
7.权利要求1-6任一项所述方法制得的氧化锆陶瓷基板在氧传感器敏感元件中的应用。
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