CN107082567A - 一种氧化铝改性的低温封接玻璃及其制备与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铝改性的低温封接玻璃及其制备和使用方法,原料组成为ZnO、Na2O、P2O5和Al2O3,其摩尔比为33~45:15~25:22~40:5~25。通过Al2O3引入AlO4四面体,利用结构相似性稳定PO4四面体,增强玻璃网络稳定性,从而提高其热稳定性,该材料置于80℃热水中1000小时可保持良好的稳定性;通过添加高浓度的ZnO与P2O5,发挥二者的协调作用,使该玻璃的转变温度范围降低至350‑425℃;Na2O可降低玻璃的熔化温度,而且能够进一步改善其封接性能。本发明的玻璃适用于LED荧光粉封接、电子材料以及其他低温封接领域。本发明制备原料简单易得,工艺稳定,达到了实用化和工业化的条件。
Description
技术领域
本发明属于封接玻璃领域,具体涉及一种氧化铝改性的低温封接玻璃及其制备与使用方法。
背景技术
低温封接玻璃(封接温度<600℃),由于其良好耐热性和化学稳定性,高的机械强度,广泛应用于电子浆料、电真空和微电子技术、能源、宇航、汽车等众多领域,如在发光二极管(LED)中的荧光粉封接,封接材料的性能的优良与否直接导致电池的实际使用性能。封接玻璃也可用于玻璃、陶瓷、金属、半导体间的相互封接。但是,目前国内外研究普遍使用含Pb的封接材料,这将对环境造成污染。另外,磷酸盐玻璃因具有熔封温度低、膨胀系数可调整范围宽、价格低、能显著减少环境污染等优点获得了广泛的关注。
专利申请201310259302.6,公开了一种低温无铅玻璃粉及其制备方法,不过该体系中引入了另外一种有毒的物质Sb,未解决环保问题。而专利申请201210366375.0也公开了无铅玻璃材料及其制备方法,通过P2O5、K2O、Na2O、ZrO2、TiO2等原料的成分设计避免了环境污染,不过该玻璃的软化温度范围为500~600℃,难以满足低温封接尤其是电子元件低温快速烧结的要求。本课题组前期工作发现了硼铋锌体系玻璃可解决上述问题,并申请了专利。然而,硼铋锌体系玻璃因为含有变价离子Bi,使得玻璃在烧结过程中颜色变深,使得玻璃在可见光波段的光透过率变低,并且硼铋锌体系玻璃易于析晶,在封接过程难以控制。因此,硼铋锌体系玻璃在光性能方面受到较大的限制。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种氧化铝改性的低温封接玻璃及其制备和使用方法,通过Al2O3引入AlO4四面体,利用结构相似性稳定PO4四面体,增强玻璃网络稳定性,从而提高其热稳定性,该材料置于80℃热水中1000小时可保持良好的稳定性。通过引入高浓度的ZnO与P2O5,发挥二者的协调作用,使该玻璃的转变温度范围降低至350-425℃;Na2O可降低玻璃的熔化温度,而且能够进一步改善其封接性能。
本发明是通过如下技术方案实施的:
一种Al2O3改性的低温封接玻璃的原料组成为ZnO、Na2O、P2O5和Al2O3,其摩尔比为33~45:15~25:22~40:5~25。
制备如上所述的低温封接玻璃的方法包括以下步骤:
(1)将原料混合均匀;经过880-1100℃熔制,保温时间1-4小时;对熔制好的玻璃液,进行急冷,获得玻璃熔块;然后,将玻璃熔块粉碎,研磨或者球磨,过筛后获得玻璃粉末;
(2)将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体,制成封接玻璃。
所述步骤(2)的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
所述步骤(2)的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
所述步骤(2)的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯和丙酮中的一种或几种的混合物。
封接玻璃置于待封接部位,在电炉中以1-5℃/min的速率升温,400-500℃保温0.5-1小时,然后以1-5℃/min的速率升温至500-650℃保温处理0.5-1小时,即完成封接。
本发明的显著优点在于:
(1)通过Al2O3引入AlO4四面体,增强玻璃网络稳定性,从而提高其热稳定性,降低析晶倾向,该材料置于80℃热水中1000小时可保持良好的稳定性;
(2)引入高浓度的ZnO与P2O5,发挥二者的协调作用,使该玻璃的转变温度范围降低至350-425℃;
(3)Na2O可降低玻璃的熔制温度,而且能够改善其封接性能;
(4)Al2O3可调节玻璃的热膨胀系数,能够进一步改善其封接性能;
(5)本发明原料简单易得,工艺稳定,达到了实用化和工业化的条件。
附图说明
图1为实施例1-4的封接玻璃在平行实验条件下的热膨胀曲线;
图2为实施例1-4的封接玻璃在平行实验条件下的DSC曲线。
具体实施方式
一种Al2O3改性的低温封接玻璃的原料组成为ZnO、Na2O、P2O5和Al2O3,其摩尔比为33~45:15~25:22~40:5~25。
制备如上所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的方法包括以下步骤:
(1)将原料混合均匀;经过880-1100℃熔制,保温时间1-4小时;对熔制好的玻璃液,进行急冷,获得玻璃熔块;然后,将玻璃熔块粉碎,研磨或者球磨,过筛后获得玻璃粉末;
(2)将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体,制成封接玻璃。
所述步骤(2)的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
所述步骤(2)的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
所述步骤(2)的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯和丙酮中的一种或几种的混合物。
封接玻璃置于待封接部位,在电炉中以1-5℃/min的速率升温,400-500℃保温0.5-1小时,然后以1-5℃/min的速率升温至500-650℃保温处理0.5-1小时,即完成封接。
表1为实施例1-4中的封接玻璃组分表(摩尔百分数)
实施例1:材料的制备与封接
按照表1中实施例1的各组分的配比,称取一定量的分析纯原料(ZnO、Na2O、P2O5、Al2O3),用行星球磨机球磨24小时混合均匀;然后将粉料放入铂金坩埚,置于箱式电阻炉的空气气氛中,以3℃/min加热至900℃,保温1小时;然后,取出坩埚,将熔体倒入去离子水中急冷,干燥获得玻璃熔体的碎块;研磨,过100目筛,得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇、鱼油、乙醇和甲苯(重量比依次为80%、2%、1%、10%、7%)混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体;将胚体置于待封接部位,在电炉中以2℃/min的速率升温,在400℃保温1小时,然后以2℃/min的速率升温至500℃保温处理1小时,即完成封接。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中,获得Φ=10mm,d=25mm的玻璃圆柱,在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试,获得玻璃转变点及软化点。图1、2表明,添加5%摩尔分数的Al2O3的封接玻璃的玻璃转变点为365℃,软化点为379℃,线膨胀系数为1.43×10-5/K。在80℃热水中放置1000小时后的失重率低于0.001%。
实施例2:材料的制备与封接
按照表1中实施例2的各组分的配比,称取一定量的分析纯原料(ZnO、Na2O、P2O5、Al2O3),用行星球磨机球磨24小时混合均匀;然后将粉料放入铂金坩埚,置于箱式电阻炉的空气气氛中,以3℃/min加热至950℃,保温1小时;然后,取出坩埚,将熔体倒入去离子水中急冷,干燥获得玻璃熔体的碎块;研磨,过100目筛,得到玻璃粉体。将玻璃粉与甲基纤维素、聚乙烯醇、正丁醇和丙酮(重量比依次为82%、2%、2%、8%、6%)混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体;将胚体置于待封接部位,在电炉中以2℃/min的速率升温,在400℃保温1小时,然后以2℃/min的速率升温至500℃保温处理1小时,即完成封接。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中,获得Φ=10mm,d=25mm的玻璃圆柱,在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试,获得玻璃转变点及软化点。图1、2表明,添加10% 摩尔分数的Al2O3的封接玻璃的玻璃转变点为388℃,软化点为408℃,线膨胀系数为1.42×10-5/K。在80℃热水中放置1000小时后的失重率低于0.001%。
实施例3:材料的制备与封接
按照表1中实施例3的各组分的配比,称取一定量的分析纯原料(ZnO、Na2O、P2O5、Al2O3),用行星球磨机球磨24小时混合均匀;然后将粉料放入铂金坩埚,置于箱式电阻炉的空气气氛中,以3℃/min加热至1000℃,保温1小时;然后,取出坩埚,将熔体倒入去离子水中急冷,干燥获得玻璃熔体的碎块;研磨,过100目筛,得到玻璃粉体。将玻璃粉与环氧树脂、聚丙烯酰胺、异丙醇和甲苯(重量比依次为84%、1.5%、0.5%、9%、5%)混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体;将胚体置于待封接部位,在电炉中以2℃/min的速率升温,在450℃保温1小时,然后以2℃/min的速率升温至550℃保温处理1小时,即完成封接。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中,获得Φ=10mm,d=25mm的玻璃圆柱,在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试,获得玻璃转变点及软化点。图1、2表明,添加15% 摩尔分数的Al2O3的封接玻璃的玻璃转变点为401℃,软化点为423℃,线膨胀系数为1.40×10-5/K。在80℃热水中放置1000小时后的失重率低于0.001%。
实施例4:材料的制备与封接
按照表1中实施例4的各组分的配比,称取一定量的分析纯原料(ZnO、Na2O、P2O5、Al2O3),用行星球磨机球磨24小时混合均匀;然后将粉料放入铂金坩埚,置于箱式电阻炉的空气气氛中,以3℃/min加热至1050℃,保温1小时;然后,取出坩埚,将熔体倒入去离子水中急冷,干燥获得玻璃熔体的碎块;研磨,过100目筛,得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸、异丙醇和丙酮(重量比依次为83%、2%、1%、9%、5%)混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体;将胚体置于待封接部位,在电炉中以2℃/min的速率升温,在450℃保温1小时,然后以2℃/min的速率升温至550℃保温处理1小时,即完成封接。该例为优选组成。将保温后的熔体倒入预热后的不锈钢磨具中,获得Φ=10mm,d=25mm的玻璃圆柱,在NETZSCH DIL 402EP热膨胀仪上以10℃/min的加热速率测试,获得玻璃转变点及软化点。图1、2表明,添加20%摩尔分数的Al2O3的封接玻璃的玻璃转变点为422℃,软化温度为444℃,线膨胀系数为1.38×10-5/K。在80℃热水中放置1000小时后的失重率约为0.001%。
本发明通过上述实施获得Al2O3改性的低温封接玻璃。其显著的效果集中体现在使用环境中具有良好的稳定性,适用于LED荧光粉封接、电子材料以及其他低温封接领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种Al2O3改性的低温封接玻璃,其特征在于:原料组成为ZnO、Na2O、P2O5和Al2O3,其摩尔比为33~45:15~25:22~40:5~25。
2.根据权利要求1所述的Al2O3改性的低温封接玻璃,其特征在于:原料ZnO、Na2O、P2O5和Al2O3的摩尔比为38~40.5:18~22:27~29.5:10~15。
3.一种制备如权利要求1所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将原料混合均匀;经过880-1100℃熔制,保温时间1-4小时;对熔制好的玻璃液,进行急冷,获得玻璃熔块;然后,将玻璃熔块粉碎,研磨或者球磨,过筛后获得玻璃粉末;
(2)将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料,在球磨机中球磨均匀分散;流延成型,自然干燥,然后裁剪成所需形状的胚体,制成封接玻璃。
4.根据权利要求3所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求3所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求3所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯和丙酮中的一种或几种的混合物。
7.一种如权利要求1所述的Al2O3改性的低温封接玻璃的使用方法,其特征在于:将封接玻璃置于待封接部位,在电炉中以1-5℃/min的速率升温,400-500℃保温0.5-1小时,然后以1-5℃/min的速率升温至500-650℃保温处理0.5-1小时,即完成封接。
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