CN104844002A - 低温烧结的玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料科学领域，旨在提供一种低温烧结的玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法。该玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为：xAl₂O₃–(1-x)CBS，x＝5～15wt％；其中，CBS为40wt％CaO-20wt％B₂O₃-40wt％SiO₂。本发明中，Al₂O₃的加入使部分Al₂O₃熔入玻璃减少CaSiO₃富集区，一定程度减少析晶量和晶体生长，减缓玻璃液相粘度增加，提升致密化效果，从而使Al₂O₃/CBS复合绝缘材料保持了良好的介电性能和致密性，能完美满足高压输电线路绝缘、微电子基板、高频电容等应用需求。

Description

低温烧结的玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低温烧结玻璃陶瓷复合绝缘材料的配方及其制备方法，属于材料科学领域。

背景技术

玻璃陶瓷复合绝缘材料在高压输电线路绝缘、微电子封装等领域有着广泛应用。这些技术领域中，绝缘部件的生产和应用要求采用的绝缘材料既要有良好的电学和热学性能，又要有良好的工艺特性。

CaO-B₂O₃-SiO₂(简称CBS)玻璃具有原料成本低廉、软化点低(～690℃)等特点，烧结过程中容易析出CaSiO₃晶体，所析出的CaSiO₃具有较低的介电常数和介质损耗，可作为高性能绝缘材料的候选材料，但致密度和抗弯强度低、工艺可控性差。Al₂O₃陶瓷具有抗弯强度高、绝缘性好等优点，但其烧结温度较高(1600℃以上)、耗能大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种低温烧结玻璃陶瓷复合绝缘材料及其制备方法。本发明选择CBS玻璃与Al₂O₃陶瓷复合，充分利用CBS玻璃的和Al₂O₃陶瓷各自优良特性，实现在低温下烧结制备一种致密度高、性能优良的玻璃陶瓷复合绝缘材料。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种低温烧结的玻璃陶瓷复合绝缘材料，该玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为：xAl₂O₃–(1-x)CBS，x＝5～15wt％；

其中，CBS为40wt％CaO-20wt％B₂O₃-40wt％SiO₂。

本发明进一步提供了制备前述玻璃陶瓷复合绝缘材料的方法，包括步骤：

(1)CBS玻璃成分配方按CaO∶B₂O₃∶SiO₂的质量百分比为40％∶20％∶40％，其中B₂O₃以H₃BO₃形式引入且H₃BO₃与B₂O₃摩尔比为2∶1，CaO以CaCO₃形式引入且CaCO₃与CaO摩尔比为1∶1；称取相应质量的CaCO₃、H₃BO₃和SiO₂，加入行星球磨机中球磨混合4h；移至氧化铝坩埚中在1450℃熔制4小时后，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，再使用行星球磨机球磨得到CBS玻璃粉末；

(2)将Al₂O₃粉和CBS玻璃粉末按xAl₂O₃∶(1-x)CBS的配比混合，x＝5～15wt％；然后加入聚乙烯醇造粒、成型，在800～900℃保温15min～2h，即制得玻璃陶瓷复合绝缘材料。

本发明中，步骤(2)中所述聚乙烯醇的用量占Al₂O₃粉和CBS玻璃粉末混合物总质量的5～10％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

CBS玻璃组分在升温过程中熔融形成玻璃液相，粘性流动促使致密化，但同时CBS玻璃析出晶体CaSiO₃，玻璃液相粘度增加影响致密化。Al₂O₃的加入使部分Al₂O₃熔入玻璃减少CaSiO₃富集区，一定程度减少析晶量和晶体生长，减缓玻璃液相粘度增加，提升致密化效果，从而使Al₂O₃/CBS复合绝缘材料保持了良好的介电性能和致密性。

本发明所制得的玻璃陶瓷复合绝缘材料，其密度ρ>2.4g/cm³，介电常数ε<7.6(1MHz)，介电损耗tanδ<5×10^-3(1MHz)，能完美满足高压输电线路绝缘、微电子基板、高频电容等应用需求。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明：

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

(1)CBS玻璃的成分配方按CaO∶B₂O₃∶SiO₂的质量百分比为40％∶20％∶40％。首先按配方称量CBS玻璃原料，其中B₂O₃以H₃BO₃形式引入，且B₂O₃与引入的H₃BO₃摩尔比为1∶2；CaO以CaCO₃形式引入，且CaCO₃与CaO摩尔比为1∶1。

各原料加入行星球磨机中球磨混料4h，用氧化铝坩埚在1450℃熔制4小时。将熔制好的玻璃水淬，粉碎过20目筛，将筛出玻璃粉放入行星球磨罐中球磨4小时得到CBS玻璃粉末。

(2)将前一步骤得到的CBS玻璃粉末与Al₂O₃粉末分别按质量含量95wt％+5wt％、90wt％+10wt％、85wt％+15wt％称量、混合，三种配方分别进行如下处理：

球磨混料4h，向混合后的粉末中加入5-10wt％聚乙烯醇粘合剂，造粒；在80MPa成型压力下成型，制备出直径13mm、厚度6～7mm的圆片；将成型圆片在800～900℃保温烧结15min～2h，即可得到玻璃陶瓷复合材料。

将制备的玻璃陶瓷复合材料采用排水法测量体积密度，采用Agilent4278A阻抗分析仪在1MHz频率测试电性能。

表1示出了实施例不同组分和烧结温度的体积密度及介电性能。

表1

Claims (3)

1.一种低温烧结的玻璃陶瓷复合绝缘材料，其特征在于，该玻璃陶瓷复合绝缘材料的化学表达式为：xAl₂O₃–(1-x)CBS，x＝5～15wt％；其中，CBS为40wt％CaO-20wt％B₂O₃-40wt％SiO₂。

2.制备权利要求1所述玻璃陶瓷复合绝缘材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)CBS玻璃的成分配方按CaO∶B₂O₃∶SiO₂的质量百分比为40％∶20％∶40％，其中B₂O₃以H₃BO₃形式引入且H₃BO₃与B₂O₃摩尔比为2∶1，CaO以CaCO₃形式引入且CaCO₃与CaO摩尔比为1∶1；

称取相应质量的CaCO₃、H₃BO₃和SiO₂，加入行星球磨机中球磨混合4h；移至氧化铝坩埚中在1450℃熔制4小时后，将熔制好的玻璃水淬进行粉碎，再使用行星球磨机球磨得到CBS玻璃粉末；

(2)将Al₂O₃粉和CBS玻璃粉末按xAl₂O₃∶(1-x)CBS的配比混合，x＝5～15wt％；然后加入聚乙烯醇造粒、成型，在800～900℃保温15min～2h，即制得玻璃陶瓷复合绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述聚乙烯醇的用量占Al₂O₃粉和CBS玻璃粉末混合物总质量的5～10％。