CN109776094A - 超精密陶瓷导轨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种超精密陶瓷导轨及其制备方法，其制备方法包括：1)将碳化硅粉、炭黑粉、粘接剂和水混合，得到浆料；2)将所述的浆料制成陶瓷导轨素坯；3)将所述的陶瓷导轨素坯一次加工、烧结、精密加工，得到超精密陶瓷导轨；其中，所述的浆料，以重量份数计，其包括：碳化硅粉：60‑80份；炭黑粉：5‑15份；粘结剂：3‑6份；水：10‑25份。本发明的超精密陶瓷导轨具有强度高、弹性模量高、热导率高、热膨胀系数低、热变形系数小、密度低等特点，在光刻机等集成电路制造装备及三坐标测量机等精密测量设备中有独特的优势，满足其轻质、高强、变形小的要求。

Description

超精密陶瓷导轨及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷导轨及其制备方法，特别是涉及一种超精密陶瓷导轨及其制备方法。

背景技术

近年来我国半导体产业有了蓬勃发展，特别在集成电路制造及超精密检测用高端装备制造领域发展尤为迅速，其中此类高端装备中核心部件为导轨部件，其形位精度及平面度等指标直接影响到高端装备输出性能。

目前导轨材料多采用金属材料，但金属材料存在时效问题，并且其热膨胀系数大、弹性模量低，硬度低，耐磨性能差，无法长时间保证导轨尺寸的形位精度，目前金属部件已经无法满足此类高端制造装备的使用要求。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种新型的超精密陶瓷导轨及其制备方法，所要解决的技术问题是使其具有低密度、低膨胀系数、高热导率、高弹性模量、高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蚀性，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其包括：

1)将碳化硅粉、炭黑粉、粘接剂和水混合，得到浆料；

2)将所述的浆料制成陶瓷导轨素坯；

3)将所述的陶瓷导轨素坯一次加工、烧结、精密加工，得到超精密陶瓷导轨；

其中，所述的浆料，以重量份数计，其包括：

碳化硅粉：60-80份；

炭黑粉：5-15份；

粘结剂：3-6份；

水：10-25份。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其中所述的粘结剂为丙烯酰胺、双丙烯酰胺、聚乙烯醇、糊精和甲基纤维素中的至少一种。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其中所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯包括：将浆料喷雾造粒，得到造粒粉料；将所述造粒粉料等静压成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其中所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过凝胶注模成型或注浆成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其中所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过挤出成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其中所述的精密加工为机械和/或放电加工。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种超精密陶瓷导轨，由前述的方法制备而得；所述的精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：80-95％；

硅：5-20％。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨，其中所述的精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：85-90％；

硅：10-15％。

优选的，前述的超精密陶瓷导轨，其中所述的精密陶瓷导轨的密度为2.9-3.1g/cm³，抗弯强度为330-380MPa，100℃热膨胀系数3-3.5×10^-6/K，25℃热导率为160-190W·m^–1·K^–1,弹性模量300-400Gpa，1m以内平面度为3-10μm。

借由上述技术方案，本发明超精密陶瓷导轨及其制备方法至少具有下列优点：

1)本发明的超精密陶瓷导轨，由于硅的存在，具有了良好的导电性，陶瓷作为难加工材料，则拥有了电加工的特性，可以采用高表面质量复杂形状的电火花成型机进行放电加工，获得特殊结构的导轨结构；也可以进行电火花线切割机床进行加工，电加工相对于传统机械加工而言，加工过程中部件几乎不受力，这样可以大幅度的降低陶瓷加工成本及提高产品良率；

2)本发明的超精密陶瓷导轨具有优良的耐磨损性，高硬度、高弹性模量、高强度、低的热变形系数等特点，而且除了可以对陶瓷进行常规的机械加工之外，还可以进行放电加工，大大降低了加工成本和提高了加工的表面质量；同时，由于材料基体致密并不含有易氧化易挥发的元素，可以大大提高本发明的陶瓷导轨在使用环境中的尺寸稳定性和耐久性，有效延长陶瓷导轨使用寿命。

3)本发明的超精密陶瓷导轨具有强度高、弹性模量高、热导率高、热膨胀系数低、热变形系数小、密度低等特点，在光刻机等集成电路制造装备及三坐标测量机等精密测量设备中有独特的优势，满足其轻质、高强、尺寸稳定性好的要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的超精密陶瓷导轨及其制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其包括：

1)将碳化硅粉、炭黑粉、粘接剂和水混合，得到浆料；

2)将所述的浆料制成陶瓷导轨素坯；

3)将所述的陶瓷导轨素坯一次加工、烧结、精密加工，得到超精密陶瓷导轨；

其中，所述的浆料，以重量份数计，其包括：

碳化硅粉：60-80份；

炭黑粉：5-15份；

粘结剂：3-6份；

水：10-25份。

优选的，浆料还包括引发剂。引发剂可选过硫酸铵。

优选的，粘结剂为丙烯酰胺、双丙烯酰胺、聚乙烯醇、糊精和甲基纤维素中的至少一种。

优选的，将浆料制成陶瓷导轨素坯包括：将浆料喷雾造粒，得到造粒粉料；将所述造粒粉料等静压成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过凝胶注模成型或注浆成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过挤出成型，得到陶瓷导轨素坯。

优选的，精密加工为机械和/或放电加工。

较佳的，本发明的另一实施例提出一种超精密陶瓷导轨，由前述的方法制备而得；所述的精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：80-95％；

硅：5-20％。

优选的，精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：85-90％；

硅：10-15％。

优选的，精密陶瓷导轨的密度为2.9-3.1g/cm³，抗弯强度为330-380MPa，100℃热膨胀系数3-3.5×10^-6/K，25℃热导率为160-190W·m^–1·K^–1,弹性模量300-400Gpa，1m以内平面度为3-10μm。

精密陶瓷导轨相对密度大于等于98％。精密陶瓷导轨的相对密度用于评价精密陶瓷导轨的致密性。

优选的，精密陶瓷导轨相对密度大于等于99％。

实施例1

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其包括：

1)将70份碳化硅粉、10份炭黑粉、15份去离子水、4份丙烯酰胺和1份双丙烯酰胺加入球磨罐中混合5-10小时，然后加入过硫酸铵1份，继续混合球磨5-60min，取出放入真空除气装置中除气泡5-10min，得到浆料；

2)将所述的浆料通过凝胶注模工艺制成陶瓷导轨素坯；将浆料注入模具中，放置到30-80℃下凝胶化30-120min，待冷却后从模具中取出，得到陶瓷导轨素坯；

3)将陶瓷导轨素坯干燥，CNC加工，高温真空烧结，采用数控磨床及电火花成型机进行精密加工，得到超精密陶瓷导轨。

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨，由实施例1的方法制备而得；超精密陶瓷导轨的密度为3.02g/cm³，抗弯强度为375MPa，100℃热膨胀系数3.02×10^-6/K，25℃热导率为183W·m^–1·K^–1,弹性模量>375GPa，1m以内平面度为3μm。

实施例2

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其包括：

1)将60份碳化硅粉、10份炭黑粉、25份去离子水、3份聚乙烯醇和2份糊精加入球磨机，混合2-5小时，得到浆料；

2)将所述的浆料通过等静压工艺制成陶瓷导轨素坯；将浆料经喷雾造粒后得到造粒粉；将造粒粉放入模具中，采用等静压成型工艺，得到陶瓷导轨素坯；

3)将陶瓷导轨素坯干燥，CNC加工，高温真空烧结，采用数控磨床及电火花成型机进行精密加工，得到超精密陶瓷导轨。

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨，由实施例2的方法制备而得；超精密陶瓷导轨的密度为2.99g/cm³，抗弯强度为350MPa，100℃热膨胀系数3.02×10^-6/K，25℃热导率为163W·m^–1·K^–1,弹性模量为350GPa，1m以内平面度为5μm。

实施例3

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其包括：

1)将80份碳化硅粉、7份炭黑粉、10份去离子水、3份甲基纤维素混合，得到浆料；

2)将所述的浆料通过挤出成型工艺制成陶瓷导轨素坯；将浆料放入练泥机中炼泥1-5小时，经陈腐12-24小时后，将浆料放入真空螺杆挤出机中挤出，得到陶瓷导轨素坯；

3)将陶瓷导轨素坯干燥，CNC加工，高温真空烧结，采用数控磨床及电火花成型机进行精密加工，得到超精密陶瓷导轨。

本发明的一个实施例提出的一种超精密陶瓷导轨，由实施例3的方法制备而得；超精密陶瓷导轨的密度为2.97g/cm³，抗弯强度为335MPa，100℃热膨胀系数3.02×10^-6/K，25℃热导率为151W·m^–1·K^–1,弹性模量为300GPa，1m以内平面度为7μm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，其包括：

1)将碳化硅粉、炭黑粉、粘接剂和水混合，得到浆料；

2)将所述的浆料制成陶瓷导轨素坯；

3)将所述的陶瓷导轨素坯一次加工、烧结、精密加工，得到超精密陶瓷导轨；

其中，所述的浆料，以重量份数计，其包括：

碳化硅粉：60-80份；

炭黑粉：5-15份；

粘结剂：3-6份；

水：10-25份。

2.根据权利要求1所述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂为丙烯酰胺、双丙烯酰胺、聚乙烯醇、糊精和甲基纤维素中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯包括：将浆料喷雾造粒，得到造粒粉料；将所述造粒粉料等静压或干压成型，得到陶瓷导轨素坯。

4.根据权利要求1所述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过凝胶注模成型或注浆成型，得到陶瓷导轨素坯。

5.根据权利要求1所述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，所述的将浆料制成陶瓷导轨素坯还包括：将浆料通过挤出成型，得到陶瓷导轨素坯。

6.根据权利要求1所述的超精密陶瓷导轨的制备方法，其特征在于，所述的精密加工为机械和/或放电加工。

7.一种超精密陶瓷导轨，由权利要求1-6任一项所述的方法制备而得；所述的精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：80-95％；

硅：5-20％。

8.根据权利要求7所述的超精密陶瓷导轨，其特征在于，所述的精密陶瓷导轨，以重量百分比计，其包括：

碳化硅：85-90％；

硅：10-15％。

9.根据权利要求7所述的超精密陶瓷导轨，其特征在于，所述的精密陶瓷导轨的密度为2.9-3.1g/cm³，抗弯强度为330-380MPa，100℃热膨胀系数3-3.5×10^-6/K，25℃热导率为160-190W·m^–1·K^–1,弹性模量300-400GPa，1m以内平面度为3-10μm。