CN114262212B - 一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料及其制备方法和应用。本发明的黑色氧化铝陶瓷颗粒料的组成包括陶瓷材料、粘结剂和脱模剂，陶瓷材料的组成包括α‑Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃和Co₂O₃，粘结剂由聚乙烯醇和石蜡系粘结剂复配而成，其制备方法包括以下步骤：1)将α‑Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃和Co₂O₃混合进行球磨制成浆料；2)将浆料和剩余原料混合后进行喷雾造粒。本发明的黑色氧化铝陶瓷颗粒料在模压成型过程中不会受作业环境的湿度变化而出现粘模，对模具的磨损小，得到的生胚的密度一致性高，且烧结后不存在孔洞等问题。

Description

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及氧化铝陶瓷材料技术领域，具体涉及一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料及其制备方法和应用。

背景技术

黑色氧化铝陶瓷，简称黑瓷，外观黑色，具有绝缘性好、膨胀系数小、热导率高、机械强度高、避光性好、耐磨损、介电损耗低等优良特性。黑色氧化铝陶瓷产品按用途可以分为黑色氧化铝陶瓷电路基板、黑色陶瓷封装基座、陶瓷金属化、直发器陶瓷发热片、水龙头陶瓷发热棒等，应用十分广泛。

黑色陶瓷封装盖板是半导体领域常见的器件，该器件不仅要具备较高的致密性和避光性，而且还要具备一定的电阻率和介电常数。目前，采用Fe-Cr-Co-Mn黑色色料作为主要着色剂制备的黑色氧化铝陶瓷颗粒料中存在硬度较高的α-Al₂O₃，干压成型过程中对模具的磨损特别严重，而且使用硬脂酸锌/钙作为脱模剂生产的薄型盖板容易出现压制粘模、烧结后存在孔洞等问题，严重影响产品的外观致密性和避光性，根本无法满足实际应用需求。

因此，亟需开发一种综合性能更加优异的黑色氧化铝陶瓷颗粒料。

以上陈述仅仅是提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料及其制备方法和应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂和脱模剂：

所述陶瓷材料包括以下质量份的组分：

α-Al₂O₃：100份；

MgO：0.5份～2份；

SiO₂：1份～3份；

MnO₂：3份～10份；

TiO₂：0.5份～3份；

Fe₂O₃：0.5份～1.5份；

Cr₂O₃：0份～2份；

Co₂O₃：0份～2份。

MgO在黑色氧化铝陶瓷中作用是降低烧结温度，加深色料颜色；SiO₂主要的作用是降低烧结温度和提高烧结致密性，与Fe₂O₃高温固相反应生成黑色FeSiO₃；MnO₂对黑色氧化铝陶瓷的电阻率和介电常数影响不大，但MnO₂是一种弱着色剂，通过改变添加量可以调整黑色氧化铝陶瓷的颜色深浅；TiO₂可以在降低黑色氧化铝陶瓷的电阻率的同时升高黑色氧化铝陶瓷的介电常数，且在烧结过程中有降低烧结温度的作用；Fe₂O₃与Mn²⁺作用可以生成MnFe₂O₄黑色尖晶石结构；Co₂O₃是一种光滑的蓝釉，其主要作用是影响色泽分布的均匀性。

优选的，所述粘结剂由聚乙烯醇和石蜡系粘结剂复配而成。

优选的，所述聚乙烯醇的含量为α-Al₂O₃质量的1.5％～2.5％。

优选的，所述聚乙烯醇的数均分子量为72600g/mol～81400g/mol。

优选的，所述聚乙烯醇为江苏长春化工有限公司的BF-17。

优选的，所述石蜡系粘结剂的含量为α-Al₂O₃质量的1.5％～2.5％。

优选的，所述石蜡系粘结剂为中京油脂株式会社的P-222。

优选的，所述脱模剂的含量为α-Al₂O₃质量的0.8％～1.2％。

优选的，所述脱模剂为硬脂酸类水性脱模剂。

进一步优选的，所述脱模剂为中京油脂株式会社的脱模剂S920(硬脂酸乳液)。

优选的，所述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的组成还包括分散剂、消泡剂中的至少一种。

优选的，所述分散剂为聚丙烯酸铵。

进一步优选的，所述分散剂为中京油脂株式会社的分散剂D-134(聚丙烯酸铵)。

优选的，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

进一步优选的，所述消泡剂为穗晔(广州)贸易有限公司的消泡剂FD102(聚二甲基硅氧烷)。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃和Co₂O₃混合进行球磨，得到浆料；

2)将浆料和剩余原料混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料。

本发明的有益效果是：本发明的黑色氧化铝陶瓷颗粒料在模压成型过程中不会受作业环境的湿度变化而出现粘模，对模具的磨损小，得到的生胚的密度一致性高，且烧结后不存在孔洞等问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、脱模剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：1.25份；MnO₂：6.7份；TiO₂：1.1份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂由2份的BF-17 和2份的P-222复配而成；脱模剂为S920；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、BF-17、P-222、S920、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为1.05g/cm³，水分含量为0.3％，安息角θ为23°)。

性能测试：

将黑色氧化铝陶瓷颗粒料用粉末成型机压制成大小规格为7mm×6mm×0.5mm的片状坯件，用显微镜观察发现连续压制12h未出现粘模，再将片状坯件加入电阻炉中，空气气氛下以2.5℃/min的升温速率升温至1380℃，保温3h，再随炉冷却至室温，即得测试样品(用100 倍显微镜观察)。

经测试，测试样品的电阻率ρ为6×10¹²Ω.m，介电常数为15，表面无气孔。

实施例2：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、脱模剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：1.25份；MnO₂：9份；TiO₂：1.1份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂由2份的BF-17和2 份的P-222复配而成；脱模剂为1份S920；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、BF-17、P-222、S920、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为1.04g/cm³，水分含量为0.29％，安息角θ为23.1°)。

性能测试：

将黑色氧化铝陶瓷颗粒料用粉末成型机压制成大小规格为7mm×6mm×0.5mm的片状坯件，用显微镜观察发现连续压制12h未出现粘模，再将片状坯件加入电阻炉中，空气气氛下以2.5℃/min的升温速率升温至1380℃，保温3h，再随炉冷却至室温，即得测试样品(用100 倍显微镜观察)。

经测试，测试样品的电阻率ρ为5×10¹²Ω.m，介电常数为16，表面无气孔，陶瓷颜色略深。

实施例3：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、脱模剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：1.25份；MnO₂：9份；TiO₂：2份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂由2份的BF-17和2 份的P-222复配而成；脱模剂为1份S920；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、BF-17、P-222、S920、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为1.06g/cm³，水分含量为0.31％，安息角θ为23.2°)。

性能测试：

将黑色氧化铝陶瓷颗粒料用粉末成型机压制成大小规格为7mm×6mm×0.5mm的片状坯件，用显微镜观察发现连续压制12h未出现粘模，再将片状坯件加入电阻炉中，空气气氛下以2.5℃/min的升温速率升温至1380℃，保温3h，再随炉冷却至室温，即得测试样品(用100 倍显微镜观察)。

经测试，测试样品的电阻率ρ为1.2×10¹²Ω.m，介电常数为20，表面无气孔，产品间有轻微粘连。

对比例1：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、脱模剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：0.8份；MnO₂：6.7份；TiO₂：1.1份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂为4份的BF-17；脱模剂为S920；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、BF-17、S920、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为0.95g/cm³，水分含量为0.45％，安息角θ为25°)。

性能测试：

将黑色氧化铝陶瓷颗粒料用粉末成型机压制成大小规格为7mm×6mm×0.5mm的片状坯件(用100倍显微镜观察)，用显微镜观察发现连续压制1h后出现粘模，生胚表面脱粉严重，再将片状坯件加入电阻炉中，空气气氛下以2.5℃/min的升温速率升温至1380℃，保温3h，再随炉冷却至室温，即得测试样品。

经测试，测试样品的电阻率ρ为4×10¹²Ω.m，介电常数为16，表面无气孔。

对比例2：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、脱模剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：0.8份；MnO₂：6.7份；TiO₂：1.1份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂为4份的P-222；脱模剂为S920；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、P-222、S920、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为1.06g/cm³，水分含量为0.28％，安息角θ为28°)。

性能测试：

经测试，粉体几乎没有流动性，压制生胚直接开裂。

对比例3：

一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂、分散剂和消泡剂，陶瓷材料包括以下质量份的组分：α-Al₂O₃：100份；MgO：0.6份；SiO₂：0.8份；MnO₂：6.7份； TiO₂：1.1份；Fe₂O₃：1份；Cr₂O₃：0.6份；Co₂O₃：0.6份；粘结剂由2份的BF-17和2份的 P-222复配而成；分散剂为0.5份的D-134；消泡剂为0.05份的FD102。

上述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃、Co₂O₃和水(添加量为α-Al₂O₃质量的45％)加入砂磨机，砂磨20h，砂磨粒径控制在0.8μm～1.2μm，得到浆料；

2)将浆料、BF-17、P-222、D-134和FD102混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料(松装密度为1.03g/cm³，水分含量为0.31％，安息角θ为24°)。

性能测试：

将黑色氧化铝陶瓷颗粒料用粉末成型机压制成大小规格为7mm×6mm×0.5mm的片状坯件，观察发现连续压制4h便出现明显的粘模现象，且压制过程中由于流动性较差，出现单重不稳定现象。

综上可知：

1)BF-17具有提高生胚强度的作用，但与α-Al₂O₃的相容性较差，压制过程容易粘模；

2)P-222与α-Al₂O₃的相容性较好，但其粘度低，颗粒间的结核性较差，导致生胚强度低，生产过程容易崩缺；

3)S920脱模剂能够减少颗粒间的内摩擦以及生胚与模具间的摩擦力，有助于提高颗粒料的流动性；

4)将BF-17、P-222和S920搭配使用效果最佳，得到的黑色氧化铝陶瓷颗粒料在模压成型过程中不会受作业环境的湿度变化而出现粘模，压制成的生坯的密度一致性高，且烧结后不存在孔洞等问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其组成包括陶瓷材料、粘结剂和脱模剂，其特征在于：

所述陶瓷材料包括以下质量份的组分：

α-Al₂O₃：100份；

MgO：0.5份～2份；

SiO₂：1份～3份；

MnO₂：3份～10份；

TiO₂：0.5份～3份；

Fe₂O₃：0.5份～1.5份；

Cr₂O₃：0份～2份；

Co₂O₃：0份～2份；

所述粘结剂由聚乙烯醇和石蜡系粘结剂复配而成；

所述聚乙烯醇的含量为α-Al₂O₃质量的1.5%～2.5%；

所述聚乙烯醇为江苏长春化工有限公司的BF-17；

所述石蜡系粘结剂的含量为α-Al₂O₃质量的1.5%～2.5%；

所述石蜡系粘结剂为中京油脂株式会社的P-222；

所述脱模剂的含量为α-Al₂O₃质量的0.8%～1.2%；

所述脱模剂为中京油脂株式会社的脱模剂S920。

2.根据权利要求1所述的黑色氧化铝陶瓷颗粒料，其特征在于：所述黑色氧化铝陶瓷颗粒料的组成还包括分散剂、消泡剂中的至少一种。

3.权利要求1或2所述的黑色氧化铝陶瓷颗粒料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将α-Al₂O₃、MgO、SiO₂、MnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃和Co₂O₃混合进行球磨，得到浆料；

2)将浆料和剩余原料混合后进行喷雾造粒，即得黑色氧化铝陶瓷颗粒料。

4.权利要求1或2所述的黑色氧化铝陶瓷颗粒料在制备黑色陶瓷封装盖板中的应用。