CN105951149B - 一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法，涉及陶瓷材料领域，包括：依次堆叠为层状复合结构的氧化铝微层、铝微层和氧化铝微层，氧化铝陶瓷箔的厚度为80‑150μm，氧化铝微层的总厚度为氧化铝陶瓷箔厚度的60％‑70％。本发明中以铝箔材料为前躯体，采用微弧氧化方法制备出一种体积电阻率大于1012Ω·cm，能够进行大幅无损弯曲变形的氧化铝箔材，可为柔性电路提供了一种新型陶瓷基板材料。

Description

一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，更具体的涉及一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷因其高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、电绝缘及轻质等特性而得以广泛应用，尤其在电子工业中常用作集成电路基板或高频绝缘材料。但作为一种典型的脆性材料，氧化铝陶瓷在拉伸或弯曲过程中很难出现大幅度的无损伤变形，通常在未形成明显的弹性或塑形变形时即发生断裂。
当前，随着智能穿戴等新型功能设备的飞速发展，柔性电路的使用也日益增多。作为柔性电路的基板材料除了需要电绝缘以外，还要求能够自由弯曲、卷绕以及承受多次动态弯曲且不损坏导线。目前，柔性电路板主要采用聚酰亚胺或聚酯薄膜等高分子材料制作；但此类材料在抗老化、耐高温等方面的劣势导致柔性电路在使用过程中的可靠性受到影响。虽然氧化铝陶瓷在稳定性等诸多方面独具优势，但目前仍无法制得具备可大幅无损弯曲等柔性特征的氧化铝材料。
发明内容
本发明提供一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法，用以解决现有技术中氧化铝陶瓷在柔性电路等特殊服役环境中不能大幅无损变形的问题。
本发明提供一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔，包括：依次堆叠为层状复合结构的氧化铝微层、铝微层和氧化铝微层，氧化铝陶瓷箔的厚度为80-150μm，氧化铝微层的总厚度为氧化铝陶瓷箔厚度的60％-70％。
优选的，氧化铝陶瓷箔的体积电阻率大于1012Ω·cm。
优选的，氧化铝陶瓷箔的表面积范围为6cm2-0.5m2。
一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
以40-100μm厚的铝箔为前驱体，并裁剪加工成所需形状和尺寸，保持铝箔样品的表面积在6cm2到0.5m2之间，经表面清洁处理后与电极稳固连接并置于电解液中；
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用微弧氧化方法，在电解液或含有添加剂的电解液中，在电压350-650V范围内微弧氧化30-60min，对铝箔表层进行原位转化生成氧化铝陶瓷，对微弧氧化后的铝箔样品进行清洗、干燥处理后得到以铝残余层作为柔性支撑体的氧化铝陶瓷箔，电解液包括硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐中的一种或几种。
优选的，铝箔采用1060、1100、3003及8011等牌号中的一种。
优选的，电解液的电导率范围为10000-40000μS/cm，pH值6-12，所述添加剂包括氟化钠、氢氧化钠、硼酸钠、钼酸钠、钨酸钠及偏钒酸铵中的一种或几种，每种添加量不超过5g/L。
优选的，微弧氧化时采用恒定电压模式，电压范围500-650V，时间30-40min。
优选的，微弧氧化时采用恒定电流模式，电流密度范围6-9A/dm2，时间30-40min。
优选的，微弧氧化时采用梯度升压模式，起始电压为350V，15min内电压升至500V，30min内升至600V，40min内升至650V，整个过程中电流密度在5A/dm2以下，整个过程时间为45-60min。
优选的，铝箔的表面积大于200cm2时，在装夹时需进行固定处理，所述铝箔与电极距离为10-30cm，与电极的表面积比为0.5-2.0。
本发明中，获得了一种厚度小于80-150μm，能够多次反复进行大于90°的无损弯曲变形的氧化铝陶瓷箔材，氧化铝主要由γ与α两种物相组成，体积电阻率大于1012Ω·cm，从而为柔性电路提供一种稳定可靠的基板材料；氧化铝箔制备采用的微弧氧化方法，无需高温烧结过程，消除了氧化铝陶瓷制品传统制备方法的工艺繁琐、生产周期长、耗能等缺点，具有绿色、节能、经济等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔截面微观形貌的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔表面微观形貌的SEM图；
图3为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔的XRD谱图；
图4为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔中氧化铝微层的EDS谱图；
图5为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔中铝微层的EDS谱图；
图6为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔进行大幅弯曲变形时的弯曲示意图；
图7为本发明实施例1制备的厚度约为80μm的氧化铝陶瓷箔在不同测试电压下的体积电阻率趋势图。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例1提供一种厚度约为80μm，长、宽均为10cm，能够大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
首先，以长、宽均为10cm，厚度40μm的1060号铝箔作为前躯体，将其与电源正极紧固连接，同时，对铝箔边缘进行固定处理防止微弧氧化过程中试样发生移动；铝箔与不锈钢阴极距离约为20cm，与阴极的面积比为1.0。微弧氧化电解液采用含有25-30g/L硅酸钠、15-20g/L六偏磷酸钠及3g/L氢氧化钠的水溶液，且电导率为35000-40000μS/cm，pH值12，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用阶梯升压模式对铝箔样品进行微弧氧化处理，具体操作为：起始电压350V、频率400Hz、占空比18％；5min时，电压400V、频率400Hz、占空比18％；10min时，电压450V、频率400Hz、占空比16％；15min时，电压500V、频率500Hz、占空比16％；20min时，电压550V、频率500Hz、占空比14％；25min时，电压580V、频率600Hz、占空比14％；30min时，电压600V、频率600Hz、占空比12％；35min时，电压630V、频率700Hz、占空比12％；40min时，电压650V、频率700Hz、占空比10％，；随后保持此参数不变，处理至45mim时结束，对样品进行清洗、烘干后获得总厚度约80μm氧化铝陶瓷箔。
此方法制备的氧化铝箔如附图1所示，两侧氧化铝微层1的总厚度约为50-60μm，中间铝微层2的厚度约为20-30μm，氧化铝微层1与铝微层2界面结合良好；如附图2所示，氧化铝微层具有微观多孔结构，孔径1-10μm的孔隙弥散分布于氧化铝微层中；如附图3所示，氧化铝微层主要由γ与α两种氧化铝组成；如附图4所示，氧化铝微层主要含有铝和氧两种元素；如附图5所示，铝微层主要由铝元素组成；如附图6所示，氧化铝陶瓷箔可发生大幅无损弯曲变形；如附图7所示，在常规使用电压状态下对氧化铝陶瓷箔的体积电阻率进行测试，在测试电压10、25、50、100及250V条件下氧化铝陶瓷箔的体积电阻率分别约为4.6×1014、3.0×1014、1.8×1014、1.3×1013及8.5×1012Ω·cm。
实施例2
本发明实施例2提供一种厚度约为100μm，长和宽分别为3cm和2cm的小尺寸氧化铝陶瓷箔及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
将厚度约50μm的8011号铝箔裁剪成3cm×2cm的小尺寸样品，并与电源正极连接后置于微弧氧化电解液中；样品与不锈钢阴极距离为10cm，与阴极的面积比为0.5。微弧氧化电解液采用硅酸盐系溶液，其中含有硅酸钠45g/L、钨酸钠3g/L、偏钒酸铵4g/L，溶液电导率为约为30000μS/cm，pH值为12.0，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用恒电压模式进行微弧氧化，具体参数为电压550V、频率700Hz、占空比10％，处理时间30min。微弧氧化后对样品进行清洗、烘干后获得总厚度约100μm氧化铝陶瓷箔；在测试电压10-250V条件下测得氧化铝陶瓷箔的体积电阻率大于8.3×1012Ω·cm，同时可进行大于90度的弯曲变形。
实施例3
本发明实施例3提供一种厚度约为130μm，长、宽均为20cm，能够大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
以长、宽均为20cm，厚度约为80μm的1100号铝箔作为前躯体，将其固定在特制绝缘框架上并与电源正极连接；铝箔与不锈钢阴极距离为20cm，与阴极的面积比为0.5。微弧氧化电解液采用含有25-30g/L硅酸钠、15-20g/L磷酸三钠、4g/L钼酸钠及3g/L氢氧化钠的水溶液，且电导率为20000-24000μS/cm，pH值12，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用阶梯升压模式对铝箔样品进行微弧氧化处理，具体操作为：起始电压350V、频率300Hz、占空比24％；15min时，电压500V、频率400Hz、占空比20％；30min时，电压600V、频率500Hz、占空比16％；40min时，电压650V、频率600Hz、占空比12％；随后保持此参数不变，氧化处理60mim后停止，对样品进行清洗、烘干后获得总厚度约130μm氧化铝陶瓷箔。在测试电压10-250V条件下测得氧化铝箔的体积电阻率大于1.1×1013Ω·cm，同时可反复进行大幅无损弯曲变形。
实施例4
本发明实施例4提供一种长度为100cm、宽度为50cm，厚度为150μm，能够大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔及其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
将厚度约100μm的3003号铝箔加工成100cm×50cm长方形样品，固定在特制绝缘框架上并与电源正极连接后置于微弧氧化电解液中；样品与不锈钢阴极距离为30mm，与阴极的面积比为2.0。微弧氧化电解液采用铝酸盐系溶液，其中含铝酸钠24-26g/L、六偏磷酸钠13g/L、氟化钠3g/L、氟化钠1g/L，溶液电导率为10000-14000μS/cm，pH值为6.0，微弧氧化过程中电解液温度低于40℃。
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用恒电流模式进行微弧氧化，具体参数为电流密度6.0A/dm2、频率500Hz、占空比10％，处理时间35min。微弧氧化完成后对样品进行清洗、烘干后获得总厚度约100μm氧化铝陶瓷箔，同时可根据所需尺寸与形状对氧化铝箔裁剪备用；在测试电压10-250V条件下的测得的氧化铝箔的体积电阻率分布在9.2×1014-5.3×1012Ω·cm范围内。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔，其特征在于，包括：依次堆叠为层状复合结构的氧化铝微层、铝微层和氧化铝微层，所述氧化铝陶瓷箔的厚度为80-150μm，所述氧化铝微层的总厚度为氧化铝陶瓷箔厚度的60％-70％；所述氧化铝陶瓷箔的体积电阻率大于1012Ω·cm；所述氧化铝陶瓷箔的面积范围为6cm2-0.5m2。
2.一种如权利要求1所述的可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、铝箔的前处理及装夹
以40-100μm厚的铝箔为前驱体，并裁剪加工成所需形状和尺寸，保持铝箔样品的表面积在6cm2到0.5m2之间，经表面清洁处理后与电极稳固连接并置于电解液中；
步骤2、铝箔的微弧氧化原位转化
采用微弧氧化方法，在电解液或含有添加剂的电解液中，在电压350-650V范围内微弧氧化30-60min，对铝箔表层进行原位转化生成氧化铝陶瓷，对微弧氧化后的铝箔样品进行清洗、干燥处理后得到以铝残余层作为柔性支撑体的氧化铝陶瓷箔，所述电解液为硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，所述铝箔采用1060、1100、3003及8011牌号中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，所述电解液的电导率范围为10000-40000μS/cm，pH值6-12，所述添加剂为氟化钠、氢氧化钠、硼酸钠、钼酸钠、钨酸钠及偏钒酸铵中的一种或几种，每种添加量不超过5g/L。
5.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，微弧氧化时采用恒定电压模式，电压范围500-650V，时间30-40min。
6.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化时采用恒定电流模式，电流密度范围6-9A/dm2，时间30-40min。
7.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化时采用梯度升压模式，起始电压为350V，15min内电压升至500V，30min内升至600V，40min内升至650V，整个过程中电流密度在5A/dm2以下，整个过程时间为45-60min。
8.根据权利要求2所述的一种可大幅无损弯曲的氧化铝陶瓷箔的制备方法，其特征在于，所述铝箔的表面积大于200cm2时，在装夹时需进行固定处理，所述铝箔与电极距离为10-30cm，与电极的表面积比为0.5-2.0。
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