CN112645696A - 一种氧化铝增强zta陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板包括ZTA基体和包覆所述ZTA基体的氧化铝表层。本发明在基体表面进行压缩预应力设计，通过对材料组分、基体与表层膨胀系数的比值，基体和表层的厚度比值等关键参数的控制，经过高温同烧过程，实现了结构功能一体化设计，制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板具有高强度和高导热性。本发明提供的制备工艺简单、效果好，基体和表层的复合可采用大部分现有陶瓷成型工艺、烧结工艺，适用于工业大批量生产。

Description

一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，尤其涉及一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
陶瓷基板广泛应用于电子行业，陶瓷基板要求具有高导热、高强度、高抗热震和高抗热疲劳性能。现有的单相氧化物陶瓷难以达到这些要求。氧化锆增韧氧化铝(ZTA)材料做基板很少，虽然它强度高，但是导热性能难以达到要求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法，旨在解决现有ZTA陶瓷的导热性能差，无法用作陶瓷基板的问题。
本发明的技术方案如下：
一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板，其中，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板包括ZTA基体和包覆所述ZTA基体的氧化铝表层。
可选地，所述氧化铝表层全包覆所述ZTA基体；
或者，所述氧化铝表层局部包覆所述ZTA基体。
可选地，所述ZTA基体的厚度为0.1mm-1.0mm，所述氧化铝表层的厚度为0.001mm-0.05mm。
可选地，所述ZTA基体的厚度与氧化铝表层的厚度的比值为20:1-500:1。
一种本发明所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板的制备方法，其中，包括步骤：
制备ZTA基体素坯；
在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
可选地，所述ZTA基体素坯的制备方法，包括步骤：
通过成型工艺制备ZTA基体坯体；
将ZTA基体坯体干燥后，进行预烧排胶处理，得到所述ZTA基体素坯。
可选地，所述成型工艺选自干压成型工艺、凝胶注模成型工艺、注浆成型工艺、流延成型工艺中的一种。
可选地，所述预烧排胶处理的温度为600℃-1100℃，所述预烧排胶处理保温时长为30min-120min。
可选地，在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板的步骤，包括：
制备氧化铝浆料；
将氧化铝浆料覆盖在ZTA基体素坯表面；
将覆盖有氧化铝浆料的ZTA基体素坯进行烧结处理，然后冷却，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
可选地，所述烧结处理的温度为1350℃-1800℃，所述烧结处理的保温时长为30min-180min。
有益效果：本发明提供了一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法，通过表面预应力设计，实现结构功能一体化提高，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板同时具有高强度和高导热性。本发明提供的制备工艺简单、效果好，适用于工业大批量生产。
附图说明
图1为氧化铝表层全包覆ZTA基体的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的结构示意图。
图2为氧化铝表层局部包覆ZTA基体的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板包括ZTA基体和包覆所述ZTA基体的氧化铝表层。
陶瓷材料是典型的脆性材料，表面残余压应力可以大幅度提高整体的弯曲强度。氧化铝陶瓷的导热性能高于ZTA陶瓷的导热性能，其膨胀系数低于ZTA陶瓷的膨胀系数，在ZTA基体素坯表面镀上氧化铝表层素坯，经高温烧结后，收缩量不同而形成表层残余压应力，大幅度提高氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度；同时，由于表面氧化铝的导热性比基体材料更好，使得氧化铝增强ZTA陶瓷基板的强度和导热性能同时得到提高，形成结构功能一体化提高。
在一种实施方式中，所述ZTA基体中氧化锆体积分数为5％-45％。
进一步地，在一种实施方式中，所述ZTA基体中氧化锆体积分数为10％-25％。
本实施例中，氧化铝表层由氧化铝颗粒组成。在一种实施方式中，所述氧化铝颗粒的粒径为0.15μm～3μm。
在一种实施方式中，所述氧化铝表层2全包覆所述ZTA基体1，如图1所示。
需说明的是，本实施例的全包覆指的是，假设所述ZTA基体为板状，有六个表面，分别为上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面，所述氧化铝表层包覆在ZTA基体的全部六个面上。采用全包覆可以更好地实现复合陶瓷基板的导热等性能的提升。
在一种实施方式中，所述氧化铝表层2局部包覆所述ZTA基体1，如图2所示。
需说明的是，本实施例的局部包覆指的是，假设所述ZTA基体为板状，有六个表面，分别为上表面、下表面、左表面、右表面、前表面和后表面，所述氧化铝表层局部包覆在所述ZTA基体的上表面、下表面、前表面和后表面上，未包覆在ZTA基体的左表面和右表面上。当然所述氧化铝表层也可局部包覆在所述ZTA基体的上表面和下表面上。
在一种实施方式中，所述ZTA基体的厚度为0.1mm-1.0mm，所述氧化铝表层的厚度为0.001mm-0.05mm。
理论上氧化铝表层厚度与ZTA基体厚度比值越小，获得的预应力效果越好，但是表层太薄，会存在缺陷敏感度较高以及导热效果下降等问题。
在一种实施方式中，所述ZTA基体的厚度与所述氧化铝表层的厚度比为20:1-500:1。在这个厚度比范围内，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板具有更高的强度和导热性。
本实施例中，所述ZTA基体的厚度可以为其上表面和下表面之间的垂直距离，相应的氧化铝表层厚度为包覆在ZTA基体上表面或下表面的表层的厚度，其中，ZTA基体上表面或下表面上的氧化铝表层的厚度相等。
本实施例中，所述ZTA基体的厚度也可以为其左表面和右表面之间的垂直距离，相应的氧化铝表层厚度为包覆在ZTA基体左表面或右表面的表层的厚度，其中，ZTA基体左表面或右表面上的氧化铝表层的厚度相等。
本实施例中，所述ZTA基体的厚度还可以为其前表面和后表面之间的垂直距离，相应的氧化铝表层厚度为包覆在ZTA基体前表面或后表面的表层的厚度，其中，ZTA基体前表面或后表面上的氧化铝表层的厚度相等。
本发明实施例中，通过对基体材料和表层材料组分、基体与表层膨胀系数的比值、基体与表层厚度的比值等关键参数的控制，实现结构功能一体化提高，从而同时提高了氧化铝增强ZTA陶瓷基板的强度和导热性能。
本发明实施例还提供一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板的制备方法，其中，包括步骤：
S1、制备ZTA基体素坯；
S2、在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
步骤S1中，在一种实施方式中，所述ZTA基体素坯的制备方法，包括步骤：
通过成型工艺制备ZTA基体坯体；
将ZTA基体坯体干燥后，进行预烧排胶处理，得到所述ZTA基体素坯。
在一种实施方式中，所述成型工艺选自干压成型工艺、凝胶注模成型工艺、注浆成型工艺、流延成型工艺中的一种，但不限于此。
在一种实施方式中，所述预烧排胶处理的温度为600℃-1100℃，在高温下预烧排胶的过程中要保证所述ZTA基体素坯平整。
在一种实施方式中，所述预烧排胶处理的保温时长为30min-120min。
步骤S2中，在一种实施方式中，所述在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板的步骤，包括：
制备氧化铝浆料；
将氧化铝浆料覆盖在ZTA基体素坯表面；
将覆盖有氧化铝浆料的ZTA基体素坯进行烧结处理，然后冷却，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
在一种实施方式中，所述将氧化铝浆料覆盖在ZTA基体素坯表面的方法选自浸渍法、喷涂法、毛刷法中的一种，但不限于此。
在一种实施方式中，所述氧化铝浆料全覆盖或者局部覆盖在ZTA基体素坯表面。
在一种实施方式中，所述氧化铝浆料全覆盖在ZTA基体素坯表面，从而更好地实现氧化铝增强ZTA陶瓷基板性能的提升。
在一种实施方式中，所述烧结处理的温度为1350℃-1800℃，所述烧结处理的保温时长为30min-180min。
在一种实施方式中，将覆盖有氧化铝浆料的ZTA基体素坯进行烧结处理前，还需要将覆盖有氧化铝浆料的ZTA基体进行烘干处理。
本实施例中，所述氧化铝表层的导热系数高于所述ZTA基体，膨胀系数低于所述ZTA基体，在所述ZTA基体表面包覆氧化铝表层，高温烧结后因收缩量不同而形成表层残余压应力，实现大幅度提高氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度；同时，由于氧化铝表层的导热系数比ZTA基体更高，使得氧化铝增强ZTA陶瓷基板的强度和导热性能同时得到提高，因此使得氧化铝增强ZTA陶瓷基板的强度和导热性能同时得到提升，实现结构功能一体化提高。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
本实施例的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的制备步骤如下：
(1)、通过流延成型工艺制备氧化锆体积分数为15％的ZTA基体坯体，将ZTA基体坯体进行干燥，然后在1100℃高温条件下保温120min完成预烧排胶，并保证平整，得到ZTA基体素坯。
(2)、称取一定质量的氧化铝粉体，添加占氧化铝粉体质量20％的去离子水、1％的聚丙烯酸铵分散剂、0.1％的消泡剂、200％的陶瓷磨球，在100rpm转速下球磨24h，所选氧化铝粉体粒径为3μm，制得氧化铝浆料。然后采用喷涂的方法将氧化铝浆料均匀全包覆在经步骤(1)后的ZTA基体素坯表面，氧化铝表层的厚度与ZTA基体素坯的比值等于1:20。然后整体烘干，得到复合陶瓷基板素坯。
(3)、将复合陶瓷基板素坯在1800℃高温下进行高温同烧，保温时长为180min，然后再进行同步冷却，制备得到氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
经测试得到：相同烧结条件下，ZTA基体的弯曲强度为550MPa，氧化铝表层的弯曲强度为375MPa，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度为824MPa，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度相对于氧化铝表层的弯曲强度提升约119％，相对于ZTA基体的弯曲强度提升约50％。
ZTA基体的导热系数为20W/mK，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的导热系数为30W/mK，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的导热系数相对于ZTA基体的导热系数提升50％。
实施例2
本实施例的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的制备步骤如下：
(1)、通过流延成型工艺制备氧化锆体积分数为25％的ZTA基体坯体，将ZTA基体坯体进行干燥，然后在600℃高温条件下保温30min完成预烧排胶，并保证平整，得到ZTA基体素坯。
(2)、称取一定质量的氧化铝粉体，添加占氧化铝粉体质量20％的去离子水、1％的聚丙烯酸铵分散剂、0.1％的消泡剂、200％的陶瓷磨球，在100rpm转速下球磨24h，所选氧化铝粉体粒径为0.15μm，制得氧化铝浆料。然后采用喷涂的方法将氧化铝浆料均匀全包覆在经步骤(1)后的ZTA基体素坯表面，氧化铝表层的厚度与ZTA基体素坯的比值为1:500。然后整体烘干，得到复合陶瓷基板素坯。
(3)、将复合陶瓷基板素坯在1350℃高温下进行高温同烧，保温时长为30min，然后再进行同步冷却，制备得到氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
经测试得到：相同烧结条件下，ZTA基体的弯曲强度为603MPa，氧化铝表层的弯曲强度为482MPa，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度为895MPa，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的弯曲强度相对于氧化铝表层的弯曲强度提升约85％，相对于ZTA基体的弯曲强度提升约48％。
ZTA基体的导热系数为16W/mK，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的导热系数为27W/mK，所制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板的导热系数相对于ZTA基体的导热系数提升68％。
综上所述，本发明提供的一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板及其制备方法，在基体表面进行压缩预应力设计，通过对材料组分、基体与表层膨胀系数的比值，基体和表层的厚度比值等关键参数的控制，经过高温同烧过程，实现了结构功能一体化设计，制备得到的氧化铝增强ZTA陶瓷基板具有高强度和高导热性。本发明提供的制备工艺简单、效果好，基体和表层的复合可采用大部分现有陶瓷成型工艺、烧结工艺，适用于工业大批量生产。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种氧化铝增强ZTA陶瓷基板，其特征在于，所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板包括ZTA基体和包覆所述ZTA基体的氧化铝表层。
2.根据权利要求1所述的氧化铝增强ZTA陶瓷基板，其特征在于，所述氧化铝表层全包覆所述ZTA基体；
或者，所述氧化铝表层局部包覆所述ZTA基体。
3.根据权利要求1所述的氧化铝增强ZTA陶瓷基板，其特征在于，所述ZTA基体的厚度为0.1mm-1.0mm，所述氧化铝表层的厚度为0.001mm-0.05mm。
4.根据权利要求1所述的氧化铝增强ZTA陶瓷基板，其特征在于，所述ZTA基体的厚度与氧化铝表层的厚度的比值为20:1-500:1。
5.一种如权利要求1-4任一项所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
制备ZTA基体素坯；
在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述ZTA基体素坯的制备方法，包括步骤：
通过成型工艺制备ZTA基体坯体；
将ZTA基体坯体干燥后，进行预烧排胶处理，得到所述ZTA基体素坯。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述成型工艺选自干压成型工艺、凝胶注模成型工艺、注浆成型工艺、流延成型工艺中的一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预烧排胶处理的温度为600℃-1100℃，所述预烧排胶处理的保温时长为30min-120min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述ZTA基体素坯表面制备氧化铝表层素坯，进行烧结处理，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板的步骤，包括：
制备氧化铝浆料；
将氧化铝浆料覆盖在所述ZTA基体素坯表面；
将覆盖有氧化铝浆料的ZTA基体素坯进行烧结，然后冷却，得到所述氧化铝增强ZTA陶瓷基板。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理的温度为1350℃-1800℃，所述烧结处理的保温时长为30min-180min。
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