CN109485393A - 氧化铝陶瓷及其制备方法和陶瓷劈刀 - Google Patents

氧化铝陶瓷及其制备方法和陶瓷劈刀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法和陶瓷劈刀，该氧化铝陶瓷的制备方法包括如下步骤：将陶瓷粉料混合后成型，得到坯体，按照质量百分含量计，陶瓷粉料包括如下组分：40％～60％的球形氧化铝、5％～15％的球形氧化铬、20％～30％的球形氧化锆及10％～20％的球形助烧剂，球形氧化铝、球形氧化铬、球形氧化锆及球形助烧剂的粒径均为纳米级；将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结，然后在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。上述氧化铝陶瓷的制备方法制备得到的氧化铝陶瓷兼具较高的弯曲强度、较好的耐磨性及较高的硬度。

Description

氧化铝陶瓷及其制备方法和陶瓷劈刀
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法和陶瓷劈刀。
背景技术
氧化铝陶瓷结构属于刚玉型，具有非常优异的耐磨、耐化学腐蚀性、耐高温氧化、高硬度、电绝缘性等优异性能，被广泛地应用在半导体加工、芯片封装等领域，是目前世界上用量最为广泛的氧化物陶瓷材料之一，被广泛应用于线键合焊接劈刀，然而目前的氧化铝陶瓷存在弯曲强度、耐磨性及硬度均不够好的问题，极大地限制了氧化铝陶瓷的应用领域。
发明内容
基于此，有必要提供一种兼具较高的弯曲强度、较好的耐磨性及较高的硬度的氧化铝陶瓷。
此外，还提供一种氧化铝陶瓷及其应用。
一种氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
将陶瓷粉料混合后成型，得到坯体，其中，按照质量百分含量计，所述陶瓷粉料包括如下组分：40％～60％的球形氧化铝、5％～15％的球形氧化铬、20％～30％的球形氧化锆及10％～20％的球形助烧剂，所述球形氧化铝、所述球形氧化铬、所述球形氧化锆及所述球形助烧剂的粒径均为纳米级；及
将所述坯体在1400℃～1500℃下常压烧结，然后在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。
在其中一个实施例中，所述热等静压烧结的温度小于所述常压烧结的温度。
在其中一个实施例中，所述将陶瓷粉料混合后成型的步骤包括：将所述陶瓷粉料与成形剂在150℃～170℃下混合密炼，然后注射成型；按照质量百分含量计，所述成形剂包括40％～60％石蜡、10％～30％表面活性剂、和10％～50％有机填料。
在其中一个实施例中，所述陶瓷粉料与所述成型剂的质量百分比为(60％～90％):(10％～40％)。
在其中一个实施例中，所述表面活性剂为硬脂酸或乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述有机填料为聚丙烯树脂或聚乙烯树脂。
在其中一个实施例中，所述球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为150纳米～250纳米；及/或，所述球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米～260纳米；及/或，所述球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为160纳米～260纳米；及/或，所述球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为140纳米～260纳米。
在其中一个实施例中，所述球形助烧剂选自球形氧化钇、球形氧化铪、球形氧化钠、球形氧化钾、球形二氧化硅、球形氧化钙、球形二氧化钛、球形氧化镁、球形氧化锌及球形氧化锂中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述球形助烧剂包括所述球形氧化钇、所述球形氧化铪、所述球形氧化钠、所述球形氧化钾、所述球形二氧化硅、所述球形氧化钙、所述球形二氧化钛、所述球形氧化镁、所述球形氧化锌及所述球形氧化锂。
上述氧化铝陶瓷的制备方法制备得到的氧化铝陶瓷。
一种陶瓷劈刀，由上述氧化铝陶瓷加工处理得到。
经实验证明，上述氧化铝陶瓷的制备方法通过按照上述配方，并使所有原料为球形结构、粒径为纳米级，将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结后，再在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，能够有效地提高氧化铝陶瓷的致密度，和减小氧化铝陶瓷的晶粒尺寸，以使制备得到的氧化铝陶瓷具有较高的致密度和较小的晶粒尺寸，使得氧化铝陶瓷不仅具有较高的弯曲强度和较好的耐磨性，还具有较高的硬度。
附图说明
图1为一实施方式的氧化铝陶瓷的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，一实施方式的氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
S110：将陶瓷粉料混合后成型，得到坯体。
其中，按照质量百分含量计，陶瓷粉料包括如下组分：40％～60％的球形氧化铝、5％～15％的球形氧化铬、20％～30％的球形氧化锆及10％～20％的球形助烧剂，球形氧化铝(Al2O3)、球形氧化铬(Cr2O3)、球形氧化锆(ZrO2)及球形助烧剂的粒径均为纳米级。球形结构的陶瓷粉料能够有效地提高粉体装填密度，实现陶瓷的高致密。
进一步地，球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为150～250纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米～260纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为160纳米～260纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为140纳米～260纳米，进一步提高装填密度，以提高氧化铝陶瓷的密度。
具体地，球形助烧剂选自球形氧化钇(Y2O3)、球形氧化铪(HfO2)、球形氧化钠(Na2O)、球形氧化钾(K2O)、球形二氧化硅(SiO2)、球形氧化钙(CaO)、球形二氧化钛(TiO2)、球形氧化镁(MgO)、球形氧化锌(ZnO)及球形氧化锂(Li2O)中的至少一种。这些物质能够降低烧结温度以抑制晶粒的长大。
进一步地，球形助烧剂包括球形氧化钇、球形氧化铪、球形氧化钠、球形氧化钾、球形二氧化硅、球形氧化钙、球形二氧化钛、球形氧化镁、球形氧化锌及球形氧化锂，以更加有效地防止晶粒长大。更进一步地，按照质量百分含量计，球形助烧剂包括5％～15％的球形氧化钇、5％～15％的球形氧化钠、5％～15％的球形氧化钾、5％～15％的球形二氧化硅、5％～15％的球形氧化钙、5％～15％的球形二氧化钛、5％～15％的球形氧化镁、5％～15％的球形氧化锌及5％～15％的球形氧化锂。
具体地，将陶瓷粉料混合后成型的步骤包括：将陶瓷粉料与成形剂在150℃～170℃下混合密炼，然后注射成型；按照质量百分含量计，成形剂包括40％～60％石蜡、10％～30％表面活性剂和10％～50％有机填料。
具体地，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为(60％～90％):(10％～40％)。表面活性剂为硬脂酸或乙烯-醋酸乙烯共聚物(Eva)，有机填料为聚丙烯树脂或聚乙烯树脂。将陶瓷粉料与成形剂在150℃～170℃下混合密炼的时间为6小时～12小时。
S120：将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结，然后在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。
通过在常压烧结后在进行热等静压烧结能够有效地提高氧化铝陶瓷的致密度。具体地，S120为：将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结1小时～4小时，然后随炉冷却，再在保护气体的气氛中升温至1300℃～1400℃，并在1300℃～1400℃下热等静压烧结0.5小时～2小时。
具体地，将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结的步骤之前，还包括在600℃～800℃下排胶，然后冷却的步骤，通过排胶以避免陶瓷在升温烧结的过程中开裂，有利于提高陶瓷的一致性(即晶粒尺寸均匀，气孔大小及分布均匀)。
具体地，保护气体为氩气或氮气。
进一步地，热等静压烧结的温度小于常压烧结的温度，以避免陶瓷晶粒尺寸在热等静压烧结过程中长大，同时，还能够达到提高陶瓷的致密效果。
经实验证明，上述氧化铝陶瓷的制备方法通过按照上述配方，并使所有原料为球形结构、粒径为纳米级，将坯体在1400℃～1500℃下常压烧结后，再在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，能够有效地提高氧化铝陶瓷的致密度，和减小氧化铝陶瓷的晶粒尺寸，以使制备得到的氧化铝陶瓷具有较高的致密度和较小的晶粒尺寸，使得氧化铝陶瓷不仅具有较高的弯曲强度和较好的耐磨性，还具有较高的硬度。
一实施方式的氧化铝陶瓷，由上述氧化铝陶瓷的制备方法制备得到，使得上述氧化铝陶瓷兼具较高的弯曲强度、较好的耐磨性及较高的硬度。
一实施方式的陶瓷劈刀，由上述氧化铝陶瓷加工处理得到。由于上述氧化铝陶瓷兼具较高的弯曲强度、较好的耐磨性及较高的硬度，使得使用上述氧化铝陶瓷制备得到的焊接劈刀具有较长的使用寿命，能够有效地提高芯片的封装效率，降低芯片的封装成本。
以下为具体实施例部分(以下实施例如无特殊说明，则不含有除不可避免的杂质以外的其它未明确指出的组分。)：
实施例1
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程具体如下：
(1)按照表1中的陶瓷粉料的各组分的质量百分含量称取各物质。其中，球形助烧剂的各物质的质量百分含量如表2所示，球形氧化铝的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为200纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为250纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为250纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为150纳米。
(2)将陶瓷粉料与成形剂在160℃下混合密炼8小时，然后注射成型，其中，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为75％:25％。按照质量百分含量计，成形剂由50％石蜡、20％表面活性剂及30％有机填料组成；表面活性剂为硬脂酸，有机填料为聚丙烯树脂。
(3)将坯体在600℃下保温排胶3小时，随炉冷却后，再升温至1450℃，并在1450℃下常压烧结2小时，随炉冷却至室温；接着在氩气的气氛中升温至在1350℃，并在1350℃下热等静压烧结2小时，再随炉冷却，得到氧化铝陶瓷。
表1
表2
实施例2
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程具体如下：
(1)按照表1中的陶瓷粉料的各组分的质量百分含量称取各物质。其中，球形助烧剂的各物质的质量百分含量如表2所示，球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为150纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为200纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为260纳米。
(2)将陶瓷粉料与成形剂在150℃下混合密炼12小时，然后注射成型，其中，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为60％:40％。按照质量百分含量计，成形剂包括40％石蜡、30％表面活性剂和10％有机填料组成；表面活性剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物，有机填料为聚乙烯树脂。
(3)将坯体在600℃下保温排胶4小时，随炉冷却后，再升温至1400℃，并在1400℃下常压烧结4小时，随炉冷却至室温；接着在氮气的气氛中升温至在1300℃，并在1300℃下热等静压烧结2小时，再随炉冷却，得到氧化铝陶瓷。
实施例3
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程具体如下：
(1)按照表1中的陶瓷粉料的各组分的质量百分含量称取各物质。其中，球形助烧剂的各物质的质量百分含量如表2所示，球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为250纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为260纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为160纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为140纳米。
(2)将陶瓷粉料与成形剂在170℃下混合密炼6小时，然后注射成型，其中，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为90％:10％。按照质量百分含量计，成形剂包括60％石蜡、10％表面活性剂及30％有机填料组成；表面活性剂为硬脂酸，有机填料为聚乙烯树脂。
(3)将坯体在600℃下保温排胶1.5小时，随炉冷却后，再升温至1500℃，并在1500℃下常压烧结1小时，随炉冷却至室温；接着在氩气的气氛中升温至在1400℃，并在1400℃下热等静压烧结0.5小时，再随炉冷却，得到氧化铝陶瓷。
实施例4
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程具体如下：
(1)按照表1中的陶瓷粉料的各组分的质量百分含量称取各物质。其中，球形助烧剂的各物质的质量百分含量如表2所示，球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为200纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为260纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为200纳米。
(2)将陶瓷粉料与成形剂在165℃下混合密炼10小时，然后注射成型，其中，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为80％:20％。按照质量百分含量计，成形剂包括40％石蜡、10％表面活性剂及50％有机填料组成；表面活性剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物，有机填料为聚丙烯树脂。
(3)将坯体在600℃下保温排胶2小时，随炉冷却后，再升温至1450℃，并在1450℃下常压烧结3小时，随炉冷却至室温；接着在氮气的气氛中升温至在1400℃，并在1400℃下热等静压烧结1小时，再随炉冷却，得到氧化铝陶瓷。
实施例5
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程具体如下：
(1)按照表1中的陶瓷粉料的各组分的质量百分含量称取各物质。其中，球形助烧剂的各物质的质量百分含量如表2所示。其中，球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为220纳米。球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为230纳米。球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米。球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为160纳米。
(2)将陶瓷粉料与成形剂在155℃下混合密炼11小时，然后注射成型，其中，陶瓷粉料与成型剂的质量百分比为65％:35％。按照质量百分含量计，成形剂包括40％石蜡、20％表面活性剂及40％有机填料组成；表面活性剂为硬脂酸，有机填料为聚乙烯树脂。
(3)将坯体在600℃下保温排胶3小时，随炉冷却后，再升温至1500℃，并在1500℃下常压烧结3小时，随炉冷却至室温；接着在氩气的气氛中升温至在1350℃，并在1350℃下热等静压烧结2小时，再随炉冷却，得到氧化铝陶瓷。
实施例6～8
实施例6～8的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于球形助烧剂的组成不同，其中，实施例6～8的球形助烧剂的组成如表2所示。
实施例9
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于步骤(3)稍有不同，本实施例中的常压烧结的温度为1400℃，热等静压烧结的温度为1400℃。
实施例10
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，本实施例的步骤(2)的成形剂由质量百分含量为50％的聚乙二醇(PEG2000)、30％的聚苯乙烯(PS)以及20％的硬脂酸(SA)组成，陶瓷粉料与成形剂的质量百分比为80％:20％。
实施例11
本实施例的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，球形氧化铝的粒径100纳米～500纳米，中位粒径为450纳米。
对比例1
对比例1的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，步骤(3)中的常压烧结的温度为1450℃，热等静压烧结的烧结温度为1450℃。
对比例2
对比例2的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，步骤(3)中的常压烧结的温度为1450℃，热等静压烧结的烧结温度为1250℃。
对比例3
对比例3的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，步骤(3)中的常压烧结的温度为1350℃，热等静压烧结的烧结温度为1400℃。
对比例4
对比例4的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，陶瓷粉料的组成不同，按照质量百分含量计，对比例4中的陶瓷粉料的组成为：70％的球形氧化铝，10％的球形氧化铬，10％的球形氧化锆及10％的球形助烧剂。
对比例5
对比例5的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，陶瓷粉料的组成不同，按照质量百分含量计，对比例5中的陶瓷粉料的组成为：60％的球形氧化铝，30％的球形氧化锆及10％的球形助烧剂。
对比例6
对比例6的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，陶瓷粉料的组成不同，按照质量百分含量计，对比例6中的陶瓷粉料的组成为：60％的球形氧化铝，20％的球形氧化铬，10％的球形氧化锆及10％的球形助烧剂。
对比例7
对比例7的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，对比例7的氧化铬和氧化锆均为晶须状。
对比例8
对比例8的氧化铝陶瓷的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，对比例8的球形氧化铝的粒径0.5微米～3微米，中位粒径为1微米。
测试：
采用阿基米德排水法法测试实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的致密度；采用扫描电镜检测实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸；采用三点弯曲法测试实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的弯曲强度；采用维氏硬度计测试实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的维氏硬度；采用摩擦试验机测试实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的摩擦系数；其中，实施例1～11及对比例1～8的氧化铝陶瓷的致密度、晶粒尺寸、弯曲强度、维氏硬度及摩擦系数如表3所示。
表3
从表3中可以看出，实施例1～11的氧化铝陶瓷的致密度至少为99％，晶粒尺寸最多为605nm，弯曲强度至少为1100MPa，维氏硬度至少为2110HV，摩擦系数最多为0.61，均优于对比例1～对比例8的氧化铝陶瓷。且实施例1～5的氧化铝陶瓷的致密度至少为99.25％，弯曲强度至少为1152MPa，维氏硬度至少为2237HV，摩擦系数最多为0.48，具有更高的致密度，更好的弯曲强度、硬度和耐磨性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将陶瓷粉料混合后成型，得到坯体，其中，按照质量百分含量计，所述陶瓷粉料包括如下组分：40％～60％的球形氧化铝、5％～15％的球形氧化铬、20％～30％的球形氧化锆及10％～20％的球形助烧剂，所述球形氧化铝、所述球形氧化铬、所述球形氧化锆及所述球形助烧剂的粒径均为纳米级；及
将所述坯体在1400℃～1500℃下常压烧结，然后在保护气体的气氛中在1300℃～1400℃下热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述热等静压烧结的温度小于所述常压烧结的温度。
3.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述将陶瓷粉料混合后成型的步骤包括：将所述陶瓷粉料与成形剂在150℃～170℃下混合密炼，然后注射成型；按照质量百分含量计，所述成形剂包括40％～60％石蜡、10％～30％表面活性剂和10％～50％有机填料。
4.根据权利要求3所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉料与所述成型剂的质量百分比为(60％～90％):(10％～40％)。
5.根据权利要求3所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为硬脂酸或乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述有机填料为聚丙烯树脂或聚乙烯树脂。
6.根据权利要求1～5任一项所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球形氧化铝的粒径100纳米～300纳米，中位粒径为150纳米～250纳米；及/或，所述球形氧化锆的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为180纳米～260纳米；及/或，所述球形氧化铬的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为160纳米～260纳米；及/或，所述球形助烧剂的粒径为100纳米～300纳米，中位粒径为140纳米～260纳米。
7.根据权利要求1～5任一项所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球形助烧剂选自球形氧化钇、球形氧化铪、球形氧化钠、球形氧化钾、球形二氧化硅、球形氧化钙、球形二氧化钛、球形氧化镁、球形氧化锌及球形氧化锂中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球形助烧剂包括所述球形氧化钇、所述球形氧化铪、所述球形氧化钠、所述球形氧化钾、所述球形二氧化硅、所述球形氧化钙、所述球形二氧化钛、所述球形氧化镁、所述球形氧化锌及所述球形氧化锂。
9.权利要求1～8任一项所述的氧化铝陶瓷的制备方法制备得到的氧化铝陶瓷。
10.一种陶瓷劈刀，其特征在于，由权利要求9所述的氧化铝陶瓷加工处理得到。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190319

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