CN106032326A - 多层复合陶瓷板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层复合陶瓷板及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供熔融石英纤维布；配置含有熔融石英粉的浆料；将该熔融石英纤维布浸泡在该浆料中，获得预浸纤维布料；使用玻璃粉和陶瓷粉的混合物以流延法制得陶瓷坯片；叠合该熔融石英纤维布与该陶瓷坯片以形成一多层叠合结构，并进行热压压合，其中每两个陶瓷坯片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布；以及烧结该多层叠合结构，获得该多层复合陶瓷板。

Description

多层复合陶瓷板及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷板，尤其是涉及多层复合陶瓷板及其制备方法。

背景技术

超材料(Metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手(LH)材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。与之相对的是，大多数自然的材料是RH材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，雷达反射罩甚至是地震预警。

从结构上看，超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个导电微结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元。每个基板单元上附着有导电微结构，从而形成一个超材料单元。整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的导电微结构可以相同或者不完全相同。导电微结构是由导电材料组成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

由于导电微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对导电微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

透波超材料是能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质(包括能量)的材料。透波超材料的基板材料要求低介电常数低和低介电损耗，基板的较优材料是熔融石英陶瓷板。目前生产的石英陶瓷基板通常用浆料浇注法或凝胶注模法制得。但是这些方法成型难，成功率低，而且所制得的基板强度比较低，表面不致密。强度低的陶瓷基板会让超材料无法应用于高强度场合。表面不致密则让超材料更容易渗水和遭受腐蚀。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种多层复合陶瓷板及其制备方法，具有更高的强度和更好的表面致密性。

本发明提出一种多层复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：提供熔融石英纤维布；配置含有熔融石英粉的浆料；将该熔融石英纤维布浸泡在该浆料中，获得预浸纤维布料；使用玻璃粉和陶瓷粉的混合物以流延法制得陶瓷坯片；叠合该熔融石英纤维布与该陶瓷坯片以形成一多层叠合结构，并进行热压压合，其中每两个陶瓷坯片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布；以及烧结该多层叠合结构，获得该多层复合陶瓷板。

在本发明的一实施例中，该熔融石英纤维布的厚度在0.12-0.70mm之间。

在本发明的一实施例中，配置含有熔融石英粉的浆料的步骤包括：以无离子硅溶胶为基体，加入20％-50％质量百分数的熔融石英粉，用氨水将混合浆料控制在pH为9-10左右，用星式球磨机搅混8-12小时，制得浆料。

在本发明的一实施例中，该热压压合的工艺是真空热压工艺。

在本发明的一实施例中，该真空热压工艺的温度为70-80℃。

在本发明的一实施例中，该真空热压工艺的压力大于或等于1Mpa。

在本发明的一实施例中，烧结该多层叠合结构时，使用平面板作为烧结辅助板以获得平面的陶瓷板。

在本发明的一实施例中，烧结该多层叠合结构时，使用曲面板作为烧结辅助板以获得曲面的陶瓷板。

在本发明的一实施例中，在烧结该多层叠合结构之前还包括：将该多层叠合结构进行排胶。

在本发明的一实施例中，将该多层叠合结构进行排胶的升温速度小于或等于2℃/min。

在本发明的一实施例中，该多层叠合结构为对称结构。

本发明还提出一种多层复合陶瓷板，包括熔融石英纤维布与陶瓷片，其中每两个陶瓷片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布。

在本发明的一实施例中，该多层叠合结构为对称结构。

在本发明的一实施例中，该陶瓷片包括陶瓷相和玻璃相。

在本发明的一实施例中，该陶瓷片的孔隙度<5％。

在本发明的一实施例中，该陶瓷板的厚度在1-3mm之间。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，由于在陶瓷板中结合了熔融石英纤维布，它与陶瓷片之间的界面对裂纹有反射或偏折作用，因而可以阻止产生于陶瓷片中的裂纹的扩大，提高了陶瓷板的强度。并且，流延法制得的陶瓷片同时包含陶瓷相和玻璃相，玻璃相在熔融状态下会扩散，填补陶瓷颗粒间的孔隙，使之更致密。因而制成的陶瓷片表面致密(孔隙度小于或等于5％)，使得整个陶瓷板的表面致密。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的多层复合陶瓷板的制备方法流程图。

图2示出根据本发明一实施例所提供的熔融石英纤维布。

图3示出根据本发明一实施例所制得的陶瓷坯片。

图4示出根据本发明一实施例的多层复合陶瓷板叠合过程。

图5示出本发明第一实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。

图6示出本发明第二实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。

图7示出本发明第三实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

本发明的实施例将描述多层复合陶瓷板的制备方法。这一多层复合陶瓷板具有更高的强度和更好的表面致密性。这一多层复合陶瓷板可以作为电路基板，也可以作为超材料基板，尤其是透波超材料基板。

图1示出本发明一实施例的多层复合陶瓷板的制备方法流程图。参照图1所示，制备方法的流程如下：

步骤101，提供熔融石英纤维布。

熔融石英是氧化硅(石英，硅石)的非晶态(又称玻璃态)。熔融石英是典型的玻璃，其原子结构长程无序。熔融石英的纯度，即二氧化硅含量可为99.95％或以上。熔融石英纤维布可以是平纹或者斜纹。图2示出根据本发明一实施例所提供的熔融石英纤维布20。所提供的熔融石英纤维布的厚度可以介于0.12-0.70mm之间。

步骤102，配置含有熔融石英粉的浆料。

步骤103，将熔融石英纤维布浸泡在该浆料中，获得预浸纤维布料。

在浸泡后，还可以用定间隙的二轧辊挤压浆料，划去多余浆料。浆料的作用是固定纤维布的纤维束，且在后续步骤中粘结纤维布和陶瓷坯片。

步骤104，使用玻璃粉和陶瓷粉的混合物以流延法制得陶瓷坯片。也就是说，此混合物既包括玻璃粉(非晶态)，又包括陶瓷粉(晶态)。

流延法是指在粉料中加入溶剂、分散剂、粘接剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的稳定浆料，在流延机上制得要求厚度薄膜的一种成型方法。

在本实施例中以流延法制得的陶瓷坯片可以是只有一个片，也可以是多个片复合。图3示出根据本发明一实施例所制得的陶瓷坯片30，其只有一个片。

陶瓷坯片的数量为至少2个，例如可以是2个，3个，4个或者更多。各个陶瓷坯片可以为平面，也可以为曲面。各个陶瓷坯片的尺寸、形状、材料通常可以相同。但是可以理解，可以为了特定的需求，让某些陶瓷坯片的参数不同于另一些陶瓷坯片的参数。例如，为了厚度的控制，可以让某些流延生坯片比另一些流延生坯片更薄或者更厚。

步骤105，叠合熔融石英纤维布与陶瓷坯片以形成一多层叠合结构，并进行热压压合。图4示出根据本发明一实施例的多层复合陶瓷板叠合过程。

例如，可以采用真空热压。真空热压的示例性工艺参数为，压力大于或等于1MPa，温度在70-80℃之间。最大压力不超过复合陶瓷板的承压极限。

多层叠合结构可具有多种结构，不过每两个陶瓷坯片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布。到此步骤为止，多层叠合结构仍然是可弯曲的。

步骤106，烧结多层叠合结构，获得多层复合陶瓷板。

由于步骤105获得的多层叠合结构仍然是可弯曲的，在步骤中可以对其进行定型。举例来说，在烧结该多层叠合结构时，可以使用平面板作为烧结辅助板以获得平面的陶瓷板；再如，烧结该多层叠合结构时，使用曲面板作为烧结辅助板以获得曲面的陶瓷板。

在一实施例中，烧结温度可以控制在1000℃以下。在该温度以下，熔融石英纤维布可以基板上保持在非晶态，这可以避免结晶化过程中纤维布膨胀而产生应力，导致纤维布产生裂纹。当然可以理解，可以有少量的晶态。

最终制得的纤维布增强的陶瓷板的厚度可以在1-3mm之间。

本实施例的优点在于，由于在陶瓷板中结合了熔融石英纤维布，它与陶瓷片之间的界面对裂纹有反射或偏折作用，因而可以阻止产生于陶瓷片中的裂纹的扩大，提高了陶瓷板的强度。并且，流延法制得的陶瓷片同时包含陶瓷相和玻璃相，玻璃相在熔融状态下会扩散，填补陶瓷颗粒间的孔隙，使之更致密。因而制成的陶瓷片表面致密(孔隙度小于或等于5％)，使得整个陶瓷板的表面致密。

较佳地，在步骤106烧结该多层叠合结构之前还包括：将该多层叠合结构进行排胶。排胶的示例性工艺条件例如是：排胶的温度在600℃左右，排胶的时间在20小时以上。排胶的升温速度可以小于2℃/min。排胶的过程主要是去除有机胶，例如陶瓷坯片中的溶剂、分散剂、粘接剂、增塑剂等成分，以及可能存在的水分。

在本发明的一实施例中，在步骤102中配置含有熔融石英粉的浆料的步骤包括：以无离子硅溶胶为基体，加入20％-50％质量百分数的熔融石英粉，用氨水将混合浆料控制在pH为9-10，用星式球磨机搅混8-12小时，制得浆料。

下面参考图5-7例举几种示例性的多层复合陶瓷板。然而可以理解，本发明的多层复合陶瓷板还可以是其它结构。

图5示出本发明第一实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。参照图5所示，多层复合陶瓷板500，包括两层陶瓷片30和一层纤维布20。纤维布20的其中一面与一个陶瓷片30相结合，纤维布20的另一面与另一陶瓷片30结合。在这一多层叠合结构中，两个陶瓷片30之间夹设有一个纤维布20，这是多层复合陶瓷板的基本结构。

图6示出本发明第二实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。参照图6所示，多层复合陶瓷板600，包括两层陶瓷片30和两层纤维布20。两层纤维布20复合在一起形成复合结构，该复合结构的其中一面与一个陶瓷片30相结合，复合结构的另一面与另一陶瓷片30结合。在这一多层叠合结构中，两个陶瓷片30之间夹设有两层纤维布20。可以理解，根据强度要求及厚度要求，纤维布20的层数可以有其他变化。

图7示出本发明第三实施例的多层复合陶瓷板的分层结构。参照图7所示，多层复合陶瓷板700，包括三层陶瓷片30和两层纤维布20，叠合顺序为陶瓷片、纤维布、陶瓷片纤维布、陶瓷片。在这一多层叠合结构中，每两个陶瓷片30之间夹设有一层纤维布20。然而可以理解，根据强度要求及厚度要求，每两个陶瓷片30之间的纤维布20的层数可以有变化，例如有两层或更多层。

在图4-7的实施例中，多层复合陶瓷板都是对称结构。然而可以理解，多层复合陶瓷板也可以是非对称结构。

下面例举本发明实际实施的例子。

实例1

第一步，选用武汉泰克菲尔科技有限公司的熔融石英纤维布，平纹或斜纹，表面浸有硅油，石英的二氧化硅含量为99.95％，耐温度达120℃，厚度为0.32mm。

第二步、配置稳定流动性好的水基浆料。以苏州纳迪微电子有限公司生产的无离子硅溶胶为基体，向其加入20wt％-50wt％的熔融石英粉，用氨水将混合浆料控制在pH＝9，用星式球磨机搅混9小时，制取流动性好，浓度较高浆料。

第三步、用第二步得到的浆料浸泡第一步中的熔融石英纤维布，用定间隙的二轧辊挤压浆料，划去多余浆料，使纤维布变成预浸纤维布料。之后烘干。

第四步、用北旭电子玻璃有限公司生产的介质玻璃TC-#2粉，其特点是含有SiO₂和少量的Al₂O₃、Na₂O、K₂O等成分，熔点900℃左右，介电损耗在10^-3量级。将该玻璃粉用流延法制取有机基的陶瓷坯片。

第五步、将第四步中的二块陶瓷坯片分布叠加到第三步中的纤维布预浸料板面上，采样真空热压(压力为4.5mPa，温度为75℃)，制得多层纤维布增强的可弯曲的薄板，厚度2mm。

第六步、利用平板或弓形板作为烧结辅助板，将第五步的可弯曲板定形烧结，烧结温度控制在1000℃以下，烧结前用缓慢的升温速度(<2℃/min)排除水分和有机物。最终制得刚性、内部有细孔而表面致密的、有纤维布增强的多层透波复合材料。

本发明上述实施例制得的陶瓷板，厚度可用纤维布的层数、预浸料的含量和陶瓷坯片的厚度控制，比凝胶注模法和浆料浇注法节省加工成本，且可以做得较薄，对制造多层复合材料，如超材料具有相当潜力。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (16)

1.一种多层复合陶瓷板的制备方法，包括以下步骤：

提供熔融石英纤维布；

配置含有熔融石英粉的浆料；

将该熔融石英纤维布浸泡在该浆料中，获得预浸纤维布料；

使用玻璃粉和陶瓷粉的混合物以流延法制得陶瓷坯片；

叠合该熔融石英纤维布与该陶瓷坯片以形成一多层叠合结构，并进行热压压合，其中每两个陶瓷坯片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布；以及

烧结该多层叠合结构，获得该多层复合陶瓷板。

2.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，该熔融石英纤维布的厚度在0.12-0.70mm之间。

3.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，配置含有熔融石英粉的浆料的步骤包括：以无离子硅溶胶为基体，加入20％-50％质量百分数的熔融石英粉，用氨水将混合浆料控制在pH为9-10，用星式球磨机搅混8-12小时，制得浆料。

4.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，该热压压合的工艺是真空热压工艺。

5.如权利要求4所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，该真空热压工艺的温度为70-80℃。

6.如权利要求4所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，该真空热压工艺的压力大于或等于1Mpa。

7.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，烧结该多层叠合结构时，使用平面板作为烧结辅助板以获得平面的陶瓷板。

8.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，烧结该多层叠合结构时，使用曲面板作为烧结辅助板以获得曲面的陶瓷板。

9.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，在烧结该多层叠合结构之前还包括：将该多层叠合结构进行排胶。

10.如权利要求8所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，将该多层叠合结构进行排胶的升温速度小于或等于2℃/min。

11.如权利要求1所述的多层复合陶瓷板的制备方法，其特征在于，该多层叠合结构为对称结构。

12.一种多层复合陶瓷板，其特征在于，包括熔融石英纤维布与陶瓷片，其中每两个陶瓷片之间夹设有一层或多层熔融石英纤维布。

13.如权利要求12所述的多层复合陶瓷板，其特征在于，该多层叠合结构为对称结构。

14.如权利要求12所述的多层复合陶瓷板，其特征在于，该陶瓷片包括陶瓷相和玻璃相。

15.如权利要求12所述的多层复合陶瓷板，其特征在于，该陶瓷片的孔隙度<5％。

16.如权利要求12所述的多层复合陶瓷板，其特征在于，该陶瓷板的厚度在1-3mm之间。