CN112552077A - 一种黑色氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黑色氧化铝陶瓷及其制备方法，制备方法包括：1)按质量分数取4～6％的三氧化二硼、13～15％的二氧化硅、55～59％的三氧化二铋、0.5～2％的二氧化锰、16～19％的氧化铜、0.8～1.5％的三氧化二钨、1～1.5％的三氧化二锑和0.8～2％的二氧化锗，混合后得到混合料；2)将混合料在950～1100℃下加热熔融后进行水淬，对水淬料烘干，得到黑色颗粒料；3)按质量分数取43～55％的黑色颗粒料、1～5％的煅烧高岭土、0.5～1％的二氧化钛和43～55％的蒸馏水，进行球磨得到黑色料浆；4)将氧化铝瓷浸入黑色料浆后取出烘干，再在830～850℃下加热后冷却，即得到黑色氧化铝陶瓷。

Description

一种黑色氧化铝陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及氧化铝陶瓷制备技术领域，具体涉及一种黑色氧化铝陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，人们对封装的认识有了很大的改变。半导体集成电路封装的成本也在逐年增加，封装一跃成为半导体行业的宠儿。在国外，封装已经形成了一个独立的高技术产业，有专门的封装材料生产厂家和公司，有专门的封装材料开发中心及封装材料CAD软件。相比之下，国内的封装产业水平比较落后，还有较大的发展空间。
微电子封装对基板材料的要求是：(1)导热性好；(2)线膨胀系数与Si匹配；(3)高频性能好，即介电常数和介电损耗低。Al2O3陶瓷由于其良好的电绝缘性能、机械性能及化学性能，且耐热冲击，膨胀系数能与硅片匹配，再加上成本低，制造工艺成熟而被广泛用来做混合集成电路及多芯片组件的基板及封装外壳。有些集成电路对光敏感,为了满足其避光性的要求,开发了黑色Al2O3陶瓷。它除了具有普通Al2O3陶瓷的优点外，还有其自身的特点，如烧结温度低(比普通的Al2O3陶瓷烧结温度低200多度)，生产成本小。黑色Al2O3陶瓷封装材料避光性好，气密性较塑料封装材料强，密度比一般的金属封装材料低，特别适用于要求气密性好、可靠性高、避光性好的电子产品的封装，如用作某些军用集成电路、晶体振荡器件、光电器件的基板及封装管壳。选择黑色Al2O3陶瓷作为研究对象具有一定的必然性和可行性。塑料封装材料也可以被加工成黑色，但是黑色塑封料在耐湿性、气密性、化学稳定性及耐热冲击性能等方面较黑色Al2O3陶瓷封装材料差，难以满足某些特种封装的要求。在陶瓷封装材料中，AlN陶瓷烧成温度太高且不易通过配方和工艺的调整使之降低，故难以制得黑色AlN陶瓷。BeO陶瓷烧成温度高且有毒，限制了它的使用。纯的Al2O3陶瓷本身的烧成温度也是很高的，在助熔剂掺杂及特殊工艺条件下，Al2O3陶瓷的烧成温度大大降低，因而以Al2O3为主要原料可以得到黑色Al2O3陶瓷。目前，国内对黑色Al2O3陶瓷的整体研究水平还比较落后，尚没有具有自己独立知识产权的材料体系和专利，针对黑色Al2O3陶瓷的专门研究报道也很少，在黑色Al2O3陶瓷研究的专业化和实用化方面做得还很不够。常用的着色氧化物有Fe2O3、CoO、NiO、Cr2O3、MnO2、TiO2、V2O5等，这类色料通常以尖晶石(Me2+O·Me2 3+O3)的形态存在。氧化铝陶瓷的主要组成Al2O3是一种高温下挥发较弱的氧化物，而常用的着色氧化物在高温下的挥发性都较强。着色氧化物形成尖晶石后，其高温挥发性一般会降低。因此，工艺条件能够保证在较低的温度(色素氧化物的挥发还不明显的温度)下，使色素氧化物结合成尖晶石，成为抑制色素挥发的应予重视的措施。黑色着色剂氧化物FeO、MnO、CoO、NiO、Cr2O3等在较低的温度下具有明显的蒸汽压，呈现了较明显的挥发性。这表明，在黑色Al2O3陶瓷的生产中如何减免着色氧化物的挥发，就成为必须高度重视的问题。黑色色料除Co-Mn-Fe系外，均含有Cr这种对人体有毒的物质，如何避免使用含Cr的色料。
田修营等人通过一次合成法，采用Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、MnO2、TiO2等在1450℃下合成了黑色氧化铝陶瓷，得到的样品着色效果好，力学性能优良。但制备过程中熔融温度高，能耗大，而且原料中含Cr2O3，对人体和环境有危害；专利CN110790577A公开了一种黑色氧化铝造粒粉的制备方法，该方法使用喷雾造粒的工艺，投资费用比较高，而且喷雾干燥属于对流型干燥器，热效率比较低，不适合工业化生产；专利CN110723997A公开了一种以CuAl2O4为主着色剂制备黑色氧化铝陶瓷的方法，其中以正硅酸乙酯作为引入SiO2的原料，但正硅酸乙酯易燃，有刺激性，高浓度时有麻醉性，在生产过程中容易发生危险；专利CN109111760A公开了一种黑色氧化铝陶瓷用色剂及其制备方法，该方法将原料混合并放入盐酸/硫酸/硝酸中溶解，后用氨水/氢氧化钠进行沉淀制得色剂。该工艺中使用了强酸强碱，具有一定的危险性，同时对环境也有很大损害。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种黑色氧化铝陶瓷及其制备方法，制备方法在低温下进行，成本较低，且原料廉价易得，无污染，生产操作工艺简单，无危险性，制备的黑色氧化铝陶瓷着色效果好，黑度稳定，成品率高。
为了实现以上目的，本发明提供了一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量分数取4～6％的三氧化二硼、13～15％的二氧化硅、55～59％的三氧化二铋、0.5～2％的二氧化锰、16～19％的氧化铜、0.8～1.5％的三氧化二钨、1～1.5％的三氧化二锑和0.8～2％的二氧化锗，混合后得到混合料；
2)将混合料在950～1100℃下加热熔融后进行水淬，对水淬料烘干，得到黑色颗粒料；
3)按质量分数取43～55％的黑色颗粒料、1～5％的煅烧高岭土、0.5～1％的二氧化钛和43～55％的蒸馏水，进行球磨得到黑色料浆；
4)将氧化铝瓷浸入黑色料浆后取出烘干，再在830～850℃下加热后冷却，即得到黑色氧化铝陶瓷。
进一步地，所述步骤2)中混合料放于素瓷坩埚中，且素瓷坩埚在硅碳棒电阻炉中预热至温度为800～900℃。
进一步地，所述步骤2)中混合料置于素瓷坩埚并加坩埚盖，素瓷坩埚在硅碳棒电阻炉中升温至950～1100℃，并保温20～30min，熔融的液体倒入室温下的蒸馏水中进行水淬。
进一步地，所述步骤3)中球磨在球磨罐中进行，球磨时间为10～24小时。
进一步地，所述球磨罐采用聚氨酯球磨罐，研磨介质采用玛瑙。
进一步地，所述步骤3)中球磨后黑色料浆过300目标准筛。
进一步地，所述步骤4)中氧化铝瓷为99氧化铝瓷，氧化铝瓷经过清洗干净后浸入黑色料浆中保持5～20秒后取出。
进一步地，所述步骤4)中烘干在烘箱中进行，烘干温度为40～60℃，烘干保温时间为5～10小时。
进一步地，所述步骤4)中加热在窑炉中进行，窑炉以5℃/min的速度升温至830～850℃，保温时间为30～60min。
本发明还提供了一种黑色氧化铝陶瓷，采用上述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明通过在低温下二次合成法制备黑色氧化铝，熔融温度低，且不影响氧化铝的高温结构。所制备的黑色氧化铝晶相稳定，颜色深，黑度稳定，制备工艺简单，不需要1300℃以上的高温制备设备，成本较传统氧化铝降低30～50％，且成品率高。按照本发明制备方法得到的黑色氧化铝黑度高，色泽稳定，颜色稳定，且制备工艺操作过程简单，成本低廉，适于工业化生产。
附图说明
图1是本发明的实施例1、实施例2和实施例3制备的黑色氧化铝陶瓷的TG曲线，其中，横坐标是温度(℃)，纵坐标是质量变化(wt％)；
图2是本发明制备的黑色料浆在微晶化处理前和微晶化处理后的X衍射图片。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
1)按质量分数取4～6％的三氧化二硼、13～15％的二氧化硅、55～59％的三氧化二铋、0.5～2％的二氧化锰、16～19％的氧化铜、0.8～1.5％的三氧化二钨、1～1.5％的三氧化二锑和0.8～2％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为800～900℃，并加盖；然后升温至950～1100℃，保温20～30min后将熔融的液体倒入室温的蒸馏水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量43～55％的黑色颗粒料，1～5％的煅烧高岭土，0.5～1％的二氧化钛，43～55％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨10～24小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持5～20秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入40～60℃的烘箱中，烘干保温5～10小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至830～850℃，保温30～60min后，随炉冷却至室温，既得黑色高纯氧化铝陶瓷。
三氧化二硼、二氧化硅、三氧化二铋、二氧化锰、氧化铜、三氧化二钨、三氧化二锑和二氧化锗均为工业分析纯原料。球磨罐为聚氨酯球磨罐，采用玛瑙作为研磨介质。
下面结合具体实施例对本发明进行说明：
实施例1：
1)按质量分数取5.4％的三氧化二硼、14.7％的二氧化硅、56.5％的三氧化二铋、1％的二氧化锰、17.9％的氧化铜、1.4％的三氧化二钨、1.8％的三氧化二锑和1.3％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为850℃，并加盖；然后升温至1000℃，保温30min后将熔融的液体倒入室温的蒸馏水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量48.2％的黑色颗粒料、3.5％的煅烧高岭土、0.7％的二氧化钛和47.6％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨12小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持15秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入55℃的烘箱中，烘干保温8小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至830℃，保温60min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝31.13，a＝0.32，b＝0.03；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为392MPa，维氏硬度为1505Hv。
实施例2：
1)按质量分数取4.9％的三氧化二硼、14.5％的二氧化硅、58.4％的三氧化二铋、2％的二氧化锰、17.6％的氧化铜、1.5％的三氧化二钨、1％的三氧化二锑和1.3％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为830℃，并加盖；然后升温至1080℃，保温25min后将熔融的液体倒入室温的水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量46.2％的黑色颗粒料、3.2％的煅烧高岭土、1％的二氧化钛和49.6％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨18小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持12秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入45℃的烘箱中，烘干保温10小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至835℃，保温60min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝32.15，a＝0.27，b＝-0.09；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为387MPa，维氏硬度为1489Hv。
实施例3：
1)按质量分数取4.1％的三氧化二硼、14.9％的二氧化硅、55.1％的三氧化二铋、2％的二氧化锰、18.9％的氧化铜、1.5％的三氧化二钨、1.5％的三氧化二锑和2％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为900℃，并加盖；然后升温至1090℃，保温27min后将熔融的液体倒入室温的水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量47.7％的黑色颗粒料、5％的煅烧高岭土、0.8％的二氧化钛和47.5％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨12小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持20秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入40℃的烘箱中，烘干保温10小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至840℃，保温60min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝30.25，a＝0.45，b＝0.12；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为388MPa，维氏硬度为1522Hv。
实施例4：
1)按质量分数取4.7％的三氧化二硼、14％的二氧化硅、58％的三氧化二铋、1％的二氧化锰、18.8％的氧化铜、1.1％的三氧化二钨、1.2％的三氧化二锑和1.2％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为850℃，并加盖；然后升温至1000℃，保温30min后将熔融的液体倒入室温的水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量50％的黑色颗粒料、2％的煅烧高岭土、0.5％的二氧化钛和47.5％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨15小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持18秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入60℃的烘箱中，烘干保温5小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至839℃，保温57min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝32.56，a＝0.57，b＝0.08；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为383MPa，维氏硬度为1426Hv。
实施例5：
1)按质量摩尔分数取4.8％的三氧化二硼、14.2％的二氧化硅、57.9％的三氧化二铋、1.5％的二氧化锰、17.9％的氧化铜、1％的三氧化二钨、1.5％的三氧化二锑和1.2％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为850℃，并加盖；然后升温至1000℃，保温30min后将熔融的液体倒入室温的水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量53％的黑色颗粒料，1％的煅烧高岭土，0.65％的二氧化钛，45.35％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨20小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持10秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入55℃的烘箱中，烘干保温9.5小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至840℃，保温42min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝33.05，a＝0.41，b＝0.16；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为403MPa，维氏硬度为1562Hv。
实施例6：
1)按质量分数取5.5％的三氧化二硼、14.1％的二氧化硅、57％的三氧化二铋、1.3％的二氧化锰、17.6％的氧化铜、1.5％的三氧化二钨、2％的三氧化二锑和1％的二氧化锗混合均匀，得到混合料；
2)将混合料加入事先放入硅碳棒电阻炉中预热的素瓷坩埚中，坩埚预热温度为850℃，并加盖；然后升温至1000℃，保温30min后将熔融的液体倒入室温的水中水淬；
3)将水淬料捞出，烘干得到黑色颗粒料；
4)按照质量分数称量50.3％的黑色颗粒料、1.9％的煅烧高岭土、0.9％的二氧化钛和46.9％的蒸馏水，放入到球磨罐中球磨24小时后，过300目标准筛得到黑色料浆；
5)将清洗干净的99氧化铝瓷浸入黑色料浆中保持9秒后取出；
6)将浸有料浆的氧化铝陶瓷放入48℃的烘箱中，烘干保温6.5小时；
7)将烘干的氧化铝瓷放入窑炉中，按照5℃/min的速度升温至848℃，保温50min后，随炉冷却至室温，既得黑色氧化铝陶瓷。
通过彩谱CS-200色差仪测得样品的L＝32.09，a＝0.23，b＝-0.36；通过万能材料试验机测得样品的抗折强度为384MPa，维氏硬度为1462Hv。
实施例1至实施例6的测试性能指标如下表所示：
Figure BDA0002856541360000101
从表中可以看出：Lab是代表物体颜色的色度值，也就是该颜色的色空间坐标。任何颜色都有唯一的坐标值，其中L，代表明暗度(黑白)，a代表红绿色，b代表黄蓝色，其中本实施例的黑度均在30以上，而市面上的黑色氧化铝陶瓷的黑度在25左右，说明本发明制备的黑色氧化铝陶瓷黑度大；而且本发明制备的黑色氧化铝陶瓷的抗折强度和维氏硬度都比市面上的现有的黑色氧化铝陶瓷了提高了20％左右。
对实施例1、实施例2和实施例3制备的黑色氧化铝陶瓷进行热重分析，得到参见图1的TG曲线，从图1中可以看出本发明制备的黑色氧化铝从陶瓷在高温下比较稳定，失重率能保持在1.5％以下；将实施例1制备的黑色料浆进行微晶化处理后进行X射线衍射测试，衍射照片参见图2，其中横坐标为衍射角2θ/°，纵坐标为衍射强度，从图2可以看出，黑色料浆在微晶化处理后能得到单一纯净的CuO晶体，说明能够通过黑色料浆合成性能稳定的黑色氧化铝陶瓷。
本发明通过二次合成法制备的黑色氧化铝陶瓷熔融温度低，黑度大，结晶性能稳定，生产工艺简单，成品率高，对人体和环境无危害，可大批量生产。解决了现有技术中黑色氧化铝陶瓷生产过程中纯在的熔融温度高，工艺复杂，成本高，有公害等缺点。所制备的黑色氧化铝陶瓷可用于某些军用集成电路、晶体振荡器件、光电器件的基板及封装管壳等诸多领域，应用前景十分广阔。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按质量分数取4～6％的三氧化二硼、13～15％的二氧化硅、55～59％的三氧化二铋、0.5～2％的二氧化锰、16～19％的氧化铜、0.8～1.5％的三氧化二钨、1～1.5％的三氧化二锑和0.8～2％的二氧化锗，混合后得到混合料；
2)将混合料在950～1100℃下加热熔融后进行水淬，对水淬料烘干，得到黑色颗粒料；
3)按质量分数取43～55％的黑色颗粒料、1～5％的煅烧高岭土、0.5～1％的二氧化钛和43～55％的蒸馏水，进行球磨得到黑色料浆；
4)将氧化铝瓷浸入黑色料浆后取出烘干，再在830～850℃下加热后冷却，即得到黑色氧化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中混合料放于素瓷坩埚中，且素瓷坩埚在硅碳棒电阻炉中预热至温度为800～900℃。
3.根据权利要求2所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中混合料置于素瓷坩埚并加坩埚盖，素瓷坩埚在硅碳棒电阻炉中升温至950～1100℃，并保温20～30min，熔融的液体倒入室温下的蒸馏水中进行水淬。
4.根据权利要求1所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中球磨在球磨罐中进行，球磨时间为10～24小时。
5.根据权利要求4所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球磨罐采用聚氨酯球磨罐，研磨介质采用玛瑙。
6.根据权利要求4所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中球磨后黑色料浆过300目标准筛。
7.根据权利要求1所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中氧化铝瓷为99氧化铝瓷，氧化铝瓷经过清洗干净后浸入黑色料浆中保持5～20秒后取出。
8.根据权利要求1所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中烘干在烘箱中进行，烘干温度为40～60℃，烘干保温时间为5～10小时。
9.根据权利要求1所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中加热在窑炉中进行，窑炉以5℃/min的速度升温至830～850℃，保温时间为30～60min。
10.一种黑色氧化铝陶瓷，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的一种黑色氧化铝陶瓷的制备方法制备得到。
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