CN103935084B - 氧化锆三明治复合承烧板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化锆三明治复合承烧板及其制备方法，该复合承烧板包括莫来石层、位于其中间的碳化硅芯料层和覆于其表面的氧化锆层；该复合承烧板的制备方法包括制备混合料、混合料成型、坯体烘干和烧成。本发明的优点为该复合承烧板采用微粉作促烧剂，降低了氧化锆的烧成温度，且该微粉促烧剂不会对磁性材料造成影响；在氧化锆层中加入有机物，使该层形成大量的微气孔，抵消氧化锆层因温度变化造成的体积膨胀效应，从而避免了氧化锆与三明治面料(莫来石)的分层脱离；板面平整度增加，提高磁性材料的成品率；本发明制备方法简单易行，容易实现。

Description

氧化锆三明治复合承烧板及其制备方法

技术领域

本发明涉及三明治复合承烧板及其制备方法，尤其涉及一种氧化锆三明治复合承烧板及其制备方法。

背景技术

承烧板是承放待烧结电子元器件的载体，一般以碳化硅为夹心层、莫来石或者氧化铝材料包裹的三明治承烧板。电子元器件通常为磁性材料，其对烧结过程所处的环境要求很高，主要包括气氛(通常需要充氮保护)、合适的烧成温度(最高温度在1200——1430℃)以及所接触的耐材材质等。由于磁性材料中含有铁、氧、锰、锌等元素，在高温时，酸性耐火材料中的硅、铝易与磁性材料中的铁、锰、锌反应，造成磁性材料污染。同时，镁质碱性耐材不适合推板窑使用，也会与这些元素反应。通常的处理方法是在承烧板上放一层厚度4mm左右的氧化锆垫板，在该垫板上再放置磁性材料。氧化锆不与磁性材料中的铁、锰、锌等元素反应，因此能起到很好的隔离作用。但由于氧化锆抗热震稳定性差，使用寿命低，且价格高，造成使用厂家的生产成本高。另外，氧化锆板较薄，成品率低，很难做大尺寸的产品，一般一块三明治承烧板上放置9块氧化锆垫板，容易造成表面不平整，磁性材料不好摆放，工人操作较为繁琐。为此，磁性材料的生产厂家提出，不用氧化锆垫板，在三明治承烧板上直接复合氧化锆材料，将磁性材料直接放在三明治承烧板上烧成，但存在以下问题：三明治承烧板的烧成温度较低，氧化锆烧成温度较高，如何降低后者的烧成温度使两者达到统一；另外，如何复合这两种材料等，这些都是技术人员亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能使氧化锆层与莫来石层良好结合的复合型承烧板；本发明的第二目的是提供一种既能促进氧化锆烧成、又能防止氧化锆与莫来石面料分层的复合承烧板制备方法。

技术方案：本发明所述氧化锆三明治复合承烧板，包括莫来石层、位于其中间的碳化硅芯料层和覆于其表面的氧化锆层；所述承烧板包括下述重量配比的组分：

莫来石层：粒度为0.1-1mm莫来石5-6份、325目莫来石细粉1-4份、200目莫来石细粉1-2份、150目莫来石细粉1-2份以及200目结合粘土1-2份；

碳化硅芯料层：碳化硅0.1-1mm1-2份、1-3mm4-6份，200目碳化硅1-2份、粒度为2.5μm碳化硅微粉0.4-0.6份以及200目结合粘土1-2份；

氧化锆层：60目钙稳定氧化锆3-6份、100目钙稳定氧化锆2-3份、200目钙稳定氧化锆2-3份、325目钙稳定氧化锆1-2份、0.8μm电熔单斜氧化锆粉1-2份以及能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物。

其中，所述能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物为米粉以及具有结合剂性质的水溶性有机物。所述米粉为200目、0.05-0.1份；所述具有结合剂性质的水溶性有机物为食用糖浆或蜂蜜。所述食用糖浆或蜂蜜为0.2-0.3份。

所述0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是由8-9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7-8份氧化锆研磨体和1-2份水混合后依次进行球磨、烘干而得；其中，所述球磨速度为50-70转/min，球磨时间为9-10h。

所述0.8μm电熔单斜氧化锆微粉的制备原料中还包括0.02-0.05份的有机分散剂或无机分散剂。

所述结合粘土为广西结合粘土。

本发明所述氧化锆三明治复合承烧板的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备混合料：

莫来石面料：取粒度为0.1-1mm莫来石5-6份、325目莫来石细粉1-4份、200目莫来石细粉1-2份、150目莫来石细粉1-2份以及200目结合粘土1-2份，混合后加入0.2-0.3份水，接着将混合物料进行泥碾，然后静置待用；

碳化硅混合料：取碳化硅0.1-1mm1-2份、1-3mm4-6份，200目碳化硅1-2份、粒度为2.5μm碳化硅微粉0.4-0.6份以及200目结合粘土1-2份，混合后加入0.4-0.5份水，接着将混合物料进行泥碾，然后静置待用；

氧化锆混合料：取60目钙稳定氧化锆3-6份、100目钙稳定氧化锆2-3份、200目钙稳定氧化锆2-3份、325目钙稳定氧化锆1-2份、1-2份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉以及能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物，混合后进行泥碾，然后静置待用；

(2)混料成型：

在模具中先加入莫来石面料并刮平，接着加入碳化硅混合料，刮平后下压，再加入莫来石面料，刮平后下压，然后倒入氧化锆混合料，刮平后以80-90Mpa下压成型得到坯体；

(3)坯体烘干：将坯体烘干至残余水分低于0.5％；

(4)烧成：将烘干后的坯体在窑炉中经1400-1500℃烧成4-5h即可。

其中，步骤(1)中，所述能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物为米粉以及具有结合剂性质的水溶性有机物。

所述米粉为200目、0.05-0.1份；所述具有结合剂性质的水溶性有机物为食用糖浆或蜂蜜。所述食用糖浆或蜂蜜为0.2-0.3份。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、本发明的复合承烧板采用微粉(0.8μm电熔单斜氧化锆微粉)作促烧剂，降低了氧化锆的烧成温度，且该微粉促烧剂不会对磁性材料造成影响；

2、本发明的复合承烧板在氧化锆层中加入有机物，使该层形成大量的微气孔，抵消氧化锆层因温度变化造成的体积膨胀效应，从而避免了氧化锆层与莫来石层的分层脱离；

3、本发明的复合承烧板兼具承载和保护磁性材料不受污染的功能，其板面平整度增加，提高磁性材料的成品率；

4、现有的100mm×100mm×4mm氧化锆垫板18元/块，一块三明治承烧板放置9块(即每块三明治承烧板所需的氧化锆垫板费用为162元)，而本发明的复合承烧板与传统的三明治承烧板相比，前者售价仅增加60元/块；同时本发明复合承烧板的使用寿命为4个月，而现有的氧化锆垫板的使用寿命为45天；由此可见，本发明复合承烧板的使用寿命大大提高，而成本降低；

5、使用本发明的复合承烧板能降低工人的劳动强度，提高工作效率；

6、本发明制备方法简单易行，容易实现。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作详细说明。

本发明的复合承烧板，在三明治承烧板的表面即莫来石层表面复合氧化锆层，在莫来石层的中间设置碳化硅芯料层，各层包括下述重量配比的组分：

莫来石层：粒度为0.1-1mm莫来石5-6份、325目莫来石细粉1-4份、200目莫来石细粉1-2份、150目莫来石细粉1-2份以及200目结合粘土1-2份；

碳化硅芯料层：碳化硅0.1-1mm1-2份、1-3mm4-6份，200目碳化硅1-2份、粒度为2.5μm碳化硅微粉0.4-0.6份以及200目结合粘土1-2份；

氧化锆层：60目钙稳定氧化锆3-6份、100目钙稳定氧化锆2-3份、200目钙稳定氧化锆2-3份、325目钙稳定氧化锆1-2份、0.8μm电熔单斜氧化锆粉1-2份以及能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物。

氧化锆垫板的烧成温度在1650—1800℃之间，三明治承烧板的烧成温度在1460℃左右，氧化锆的烧成温度高于三明治承烧板，因此采用促烧剂降低氧化锆的烧成温度，而现有的促烧剂氟化铝、硅酸钠、磷酸钠等对磁性材料有影响，会使磁性材料出现亮斑，变脆，强度降低等。为解决此问题，本发明采用微粉技术促进氧化锆的烧成。氧化锆层的主要成分为稳定氧化锆，经研究发现，如果加入少量单斜氧化锆，其在高温时能吸收部分稳定氧化锆中没有进入晶体结构的游离稳定剂，如氧化钇、氧化钙等，变成部分稳定氧化锆，从而促进烧结。为此，我们采用3.2μm单斜氧化锆(市售最小粒度)进行试验，发现促烧效果并不明显。深入研究发现，物质的粒度越小，表面活性越大，在高温下晶型转变(随温度变化，单斜氧化锆有单斜、立方、四方晶结构变体)过程中自结合能力越强，和其它物质的发生化学反应的能力也越强，所以我们认为有必要对单斜氧化锆进行进一步加工细磨，但发现这并不容易实现。

本发明0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是由8-9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7-8份氧化锆研磨体和1-2份水混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为50-70转/min，球磨时间为9-10h，我们经研究发现，球磨转速过快，研磨体容易破碎，料浆发热过高；转速过慢，起不到研磨作用或者研磨效果不理想，因此将球磨速度和时间控制在上述范围内研磨效果好。优选的球磨速度为55-65转/min，球磨时间为9.2-9.8h。最优的球磨速度为60转/min，球磨时间为9.5h。本发明采用氧化锆研磨球而非通常使用的钢球及氧化铝陶瓷作为研磨体，可以保证粉体纯度，不引入其它杂质。为了进一步增强试验效果，本发明可以引入分散剂，因为粉体越细，其表面引力越大，越容易团聚，我们考虑加入无机、有机分散剂多种，例如可以是油酸分散剂，显示的油酸效果好，分散剂的加入量为0.02-0.05份。优选的加入量为0.03-0.04份。最优的加入量为0.035份，此时油酸效果最好。此外，电熔单斜氧化锆、氧化锆研磨体和水的加入量也是通过大量实验而得，最终获得0.8μm电熔单斜氧化锆微粉。

另外，氧化锆和三明治面料在烧成过程中易分层。氧化锆和莫来石(或者氧化铝)的热膨胀系数不一致，尤其莫来石温度的变化引起的体积变化很小，氧化锆却很大，这就造成氧化锆和莫来石脱离，不能很好的复合。本发明在氧化锆中加入能形成大量微气孔的有机物，抵消氧化锆因温度变化造成的体积膨胀效应，并且取得了较好的效果。具体是在氧化锆中加入食用糖浆或带有结合剂性质的蜂蜜作结合剂，同时加入一定的米粉(也可为其它不引起坯体在干燥过程中变形的其它有机物等)。食用糖浆的常温结合强度高，烘干后仍留在里面，在烧成过程中也可起到造孔作用，造孔量达不到要求。米粉粘性低，在烘干过程中不像糊精、面粉等引起坯体变形。米粉和食用糖浆的有机物在高温下被氧化，生成二氧化碳、水等挥发物，随烟气带走，在材料内部形成许多微气孔。

实施例1：

(1)制备混料：

莫来石面料：称取5份粒度为0.1-1mm莫来石、1份150目莫来石细粉、1.5份200目莫来石细粉、1.5份325目莫来石细粉以及1份200目结合粘土。放入250升行星式泥碾机，混合15分钟后加入0.25份水，并将混合物料进行泥碾25min，然后静置24h待用；

碳化硅混料：称取5份粒度为1-3mm碳化硅、1份0.1-1mm碳化硅、2份200目碳化硅、0.5份粒度为2.5μm碳化硅微粉以及1.5份200目结合粘土，放入250升行星式泥碾机，混合15分钟后加入0.45份水，并将混合物料进行泥碾25min，然后静置24h待用；

氧化锆混料：称取4份60目钙稳定氧化锆，2份100目钙稳定氧化锆，2份200目钙稳定氧化锆，1份325目钙稳定氧化锆、2份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉、0.1份200目米粉，放入60升行星式泥碾机，混合15分钟后加入0.25份食用糖浆，并将混合物料进行泥碾40min，然后静置24h待用。

其中，0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是由8份3.2μm电熔单斜氧化锆、8份氧化锆研磨体、2份水和0.035份有机分散剂混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为60转/min，球磨时间为9.5h。

(2)混料成型：

以310mm×310mm×12mm氧化锆三明治复合承烧板为例：

按上述配比称取莫来石面料，放入模具刮平，倒入碳化硅混合料，用直条板刮平，放上压板，下压6mm深，放入莫来石面料，刮平，放上压板，下压2mm，倒入氧化锆层混合料，刮平，盖上压板，以80Mpa压力成型。静置48小时后，烘干。

(3)坯体烘干：将坯体放入烘房，经110℃×24小时烘干至残余水分低于0.5％；

(4)烧成：将烘干后的坯体在窑炉中经1400℃烧成4h即可。

最后，产品出窑拣选、检测，合格品入库。

对比例1：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：在氧化锆层中加入2份3.2μm电熔单斜氧化锆微粉作促烧剂；

对比例2：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：在氧化锆层中加入0.5份氟化铝代替2份.8μm电熔单斜氧化锆微粉作促烧剂；

对比例3：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：不加入200目米粉造微气孔；

对比例4：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：用等份糊精替换200目米粉；

实施例2：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：

莫来石面料：称取6份粒度为0.1-1mm莫来石、2份200目莫来石细粉2份200目莫来石细粉、4份325目莫来石细粉以及2份200目结合粘土，加入0.3份水；

碳化硅混料：称取6份粒度为1-2.5mm碳化硅、2份0.1-1mm碳化硅、1.5份200目碳化硅、0.6份粒度为2.5μm碳化硅微粉以及2份200目结合粘土，加入0.5份水；

氧化锆混料：称取6份60目钙稳定氧化锆，3份100目钙稳定氧化锆，3份200目钙稳定氧化锆，2份325目钙稳定氧化锆、1份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉、0.05份200目米粉，加入0.3份蜂蜜；

其中，0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是8份3.2μm电熔单斜氧化锆、8份氧化锆研磨体和2份水混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为50转/min，球磨时间为9h。

成型压力为90Mpa；烧成温度控制在1500℃，烧成时间为7h。

实施例3：步骤与实施例1基本相同，不同之处为：

莫来石面料：称取5.5份粒度为0.1-0.5mm莫来石、1.5份200目莫来石细粉1份200目莫来石细粉、1份325目莫来石细粉以及1.5份200结合粘土，加入0.2份水；

碳化硅混料：称取4份粒度为1-2mm碳化硅、1.5份0.1mm碳化硅、1份200目碳化硅、0.4份粒度为2.5μm碳化硅微粉以及1份200目结合粘土，加入0.4份水；

氧化锆混料：称取3份60目钙稳定氧化锆，2.5份100目钙稳定氧化锆，2.5份200目钙稳定氧化锆，1.5份325目钙稳定氧化锆、1.5份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉、0.08份200目米粉，加入0.2份蜂蜜；

其中，0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7份氧化锆研磨体、1份水混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为65转/min，球磨时间为9.8h。

成型压力为90Mpa；烧成温度控制在1480℃，烧成时间为5h。

实施例4：

步骤与实施例1基本相同，不同之处为：

莫来石面料：称取6份粒度为0.5-1mm莫来石、2份200目莫来石细粉2份200目莫来石细粉、4份325目莫来石细粉以及1.8份200目结合粘土，加入0.28份水，；

碳化硅混料：称取5份粒度为2-3mm碳化硅、2份1mm碳化硅、1.5份200目碳化硅、0.55份粒度为2.5μm碳化硅微粉以及2份200目结合粘土，加入0.5份水；

氧化锆混料：称取5份60目钙稳定氧化锆，2.5份100目钙稳定氧化锆，3份200目钙稳定氧化锆，2份325目钙稳定氧化锆、1.6份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉、0.08份200目米粉，加入0.28份食用糖浆；

其中，0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7份氧化锆研磨体、1份水和0.04份无机分散剂混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为55转/min，球磨时间为9.2h。

成型压力为90Mpa；烧成温度控制在1430℃，烧成时间为4.3h。

实施例5：

步骤与实施例4基本相同，不同之处为：

氧化锆混料：称取5份60目钙稳定氧化锆，2.5份100目钙稳定氧化锆，3份200目钙稳定氧化锆，2份325目钙稳定氧化锆、1.2份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉、0.08份200目米粉，加入0.28份食用糖浆；

其中，0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7份氧化锆研磨体、1份水和0.05份无机分散剂混合后依次进行球磨、烘干而得。其中，控制球磨速度为70转/min，球磨时间为10h。

成型压力为90Mpa；烧成温度控制在1460℃，烧成时间为4.6h。

上述实施例和对比例得到承烧板的物理性能对比见表1

表1

Claims (10)

1.一种氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：包括莫来石层、位于其中间的碳化硅芯料层和覆于其表面的氧化锆层；所述承烧板包括下述重量配比的组分：

莫来石层：粒度为0.1-1mm莫来石5-6份、325目莫来石细粉1-4份、200目莫来石细粉1-2份、150目莫来石细粉1-2份以及200目结合粘土1-2份；

碳化硅芯料层：碳化硅0.1-1mm 1-2份、1-3mm 4-6份，200目碳化硅1-2份、粒度为2.5μm碳化硅微粉0.4-0.6份以及200目结合粘土1-2份；

氧化锆层：60目钙稳定氧化锆3-6份、100目钙稳定氧化锆2-3份、200目钙稳定氧化锆2-3份、325目钙稳定氧化锆1-2份、0.8μm电熔单斜氧化锆粉1-2份以及能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物。

2.根据权利要求1所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物为米粉以及具有结合剂性质的水溶性有机物。

3.根据权利要求2所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述米粉为200目、0.05-0.1份；所述具有结合剂性质的水溶性有机物为食用糖浆或蜂蜜。

4.根据权利要求3所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述食用糖浆或蜂蜜为0.2-0.3份。

5.根据权利要求1所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述0.8μm电熔单斜氧化锆微粉是由8-9份3.2μm电熔单斜氧化锆、7-8份氧化锆研磨体和1-2份水混合后依次进行球磨、烘干而得；其中，所述球磨速度为50-70转/min，球磨时间为9-10h。

6.根据权利要求5所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述0.8μm电熔单斜氧化锆微粉的制备原料中还包括0.02-0.05份的有机分散剂或无机分散剂。

7.根据权利要求1所述氧化锆三明治复合承烧板，其特征在于：所述结合粘土为广西结合粘土。

8.根据权利要求1所述氧化锆三明治复合承烧板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)制备混合料：

莫来石面料：取粒度为0.1-1mm莫来石5-6份、325目莫来石细粉1-4份、200目莫来石细粉1-2份、150目莫来石细粉1-2份以及200目结合粘土1-2份，混合后加入0.2-0.3份水，接着将混合物料进行泥碾，然后静置待用；

碳化硅混合料：取碳化硅0.1-1mm 1-2份、1-3mm 4-6份，200目碳化硅1-2份、粒度为2.5μm碳化硅微粉0.4-0.6份以及200目结合粘土1-2份，混合后加入0.4-0.5份水，接着将混合物料进行泥碾，然后静置待用；

氧化锆混合料：取60目钙稳定氧化锆3-6份、100目钙稳定氧化锆2-3份、200目钙稳定氧化锆2-3份、325目钙稳定氧化锆1-2份、1-2份0.8μm电熔单斜氧化锆微粉以及能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物，混合后进行泥碾，然后静置待用；

(2)混料成型：

在模具中先加入莫来石面料并刮平，接着加入碳化硅混合料，刮平后下压，再加入莫来石面料，刮平后下压，然后倒入氧化锆混合料，刮平后以80-90MPa下压成型得到坯体；

(3)坯体烘干：将坯体烘干至残余水分低于0.5％；

(4)烧成：将烘干后的坯体在窑炉中经1400-1500℃烧成4-5h即可。

9.根据权利要求8所述氧化锆三明治复合承烧板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述能使氧化锆层产生大量微气孔的有机物为米粉以及具有结合剂性质的水溶性有机物。

10.根据权利要求9所述氧化锆三明治复合承烧板的制备方法，其特征在于：所述米粉为200目、0.05-0.1份；所述具有结合剂性质的水溶性有机物为食用糖浆或蜂蜜。