CN116354708A - 陶瓷材料与采用该陶瓷材料制得的陶瓷物件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷材料以及采用该陶瓷材料制得的陶瓷物件。所述陶瓷材料包括氧化锆增韧的氧化铝掺杂钪(Sc)离子。氧化锆增韧的氧化铝可进一步掺杂其他金属离子，且其他金属离子包括钴(Co)离子、铬(Cr)离子、锌(Zn)离子、钛(Ti)离子、锰(Mn)离子、镍(Ni)离子、或上述的组合。所述陶瓷材料可用于陶瓷物件，比如焊线瓷嘴、散热板材、假牙、骨科植入物、直接覆铜陶瓷基板、或高温共烧陶瓷。
Description
技术领域
本揭露关于陶瓷物件，更特别是关于其所采用的陶瓷材料。
背景技术
全球前10名IC封测厂商使用焊线机数量超过10万台，而焊线机采用的瓷嘴产值达5亿美元/年以上。瓷嘴因需高速地接触芯片及导线架的电极(焊点)，使用一定次数(约60万点)后即会产生磨损或变形，而产生断线或接触不良等问题，故极需开发具超精密、高强度、长寿命的国产化瓷嘴产品。
因此，目前亟需开发具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，同时具有高强度和高韧性的陶瓷材料，以符合焊线瓷嘴甚至是其他陶瓷物件的需求。
发明内容
本揭露一实施例提供的陶瓷材料，包括：氧化锆增韧的氧化铝，掺杂钪(Sc)离子。
在一些实施例中，氧化铝与氧化锆的重量比例为100:15至100:35。
在一些实施例中，氧化锆增韧的氧化铝与钪离子的重量比例为100:0.05至100:2。
在一些实施例中，氧化锆增韧的氧化铝更掺杂其他金属离子，且其他金属离子包括钴(Co)离子、铬(Cr)离子、锌(Zn)离子、钛(Ti)离子、锰(Mn)离子、镍(Ni)离子、或上述的组合。
在一些实施例中，氧化锆增韧的氧化铝与其他金属离子的重量比例为100:0.05至100:2。
在一些实施例中，钪离子与其他金属离子的重量比例为1:0.05至1:1.25。
在一些实施例中，陶瓷材料的硬度为1600Hv10至2200Hv10。
在一些实施例中，陶瓷材料的抗折强度为400MPa至500MPa。
本揭露一实施例提供的陶瓷物件，其为采用本发明的陶瓷材料制得。
在一些实施例中，陶瓷物件包括焊线瓷嘴、散热板材、假牙、骨科植入物、直接覆铜陶瓷基板、或高温共烧陶瓷。
具体实施方式
本揭露一实施例提供的陶瓷材料，包括：氧化锆增韧的氧化铝(zirconiatoughened alumina，ZTA)，其掺杂钪(Sc)离子。在一些实施例中，氧化铝与氧化锆的重量比例可为约100:15至100:35，例如可为约100:18、约100:20、约100:22、约100:25、约100:28、约100:30等，但本揭露并不以此为限。若氧化锆的比例过低或过高，则无法达到增韧氧化铝的效果。在一些实施例中，氧化锆增韧的氧化铝与钪离子的重量比例可为约100:0.05至100:2，例如可为约100:0.1、约100:0.5、约100:0.75、约100:1、约100:1.2、约100:1.3、约100:1.5、约100:1.8等，但本揭露并不以此为限。若钪离子的比例过低或过高，则陶瓷材料的硬度与抗折强度皆会不足。
在一些实施例中，除了钪离子以外，ZTA可进一步掺杂其他金属离子，且其他金属离子包括钴(Co)离子、铬(Cr)离子、锌(Zn)离子、钛(Ti)离子、锰(Mn)离子、镍(Ni)离子、或上述的组合。若采用上述其他金属离子以外的金属离子，例如镧(La)离子、钆(Gd)离子、或铁(Fe)离子，则陶瓷材料可能难以达到所需的特性。
在一些实施例中，氧化锆增韧的氧化铝与其他金属离子的重量比例可为约100:0.05至100:2，例如可为约100:0.1、约100:0.5、约100:0.75、约100:1、约100:1.25、约100:1.4、约100:1.5、约100:1.75等，但本揭露并不以此为限。若其他金属离子的比例过低或过高，则陶瓷材料的硬度与抗折强度皆会不足。在一些实施例中，钪离子与其他金属离子的重量比例可为约1:0.05至1:1.25，例如可为约1:0.05至1:1.2、约1:0.06至1:0.9、约1:0.08至1:1.2、约1:0.1至1:1.15、约1:0.2至1:1.12、约1:0.5至1:1.1、约1:1、约1:0.75等，但本揭露并不以此为限。若钪离子的比例过高，则硬度变差。若其他金属离子的比例过高，则硬度也会变差。
在一些实施例中，陶瓷材料的硬度可为约1600Hv10至2200Hv10，例如可为约1605Hv10至1768Hv10、约1605Hv10至1736Hv10、约1605Hv10至1730Hv10、约1605Hv10至1963Hv10、约1939Hv10等，但本揭露并不以此为限。若陶瓷材料的硬度过低，则不符合焊线瓷嘴的规格。在一些实施例中，陶瓷材料的抗折强度可为约400MPa至500MPa，例如可为约415MPa、约430MPa、约450MPa、约475MPa、约490MPa等，但本揭露并不以此为限。若陶瓷材料的抗折强度过低，则不符焊线瓷嘴的规格。
本揭露一实施例提供的陶瓷物件，其采用本发明的陶瓷材料制得。本揭露一实施例的陶瓷材料可用于焊线瓷嘴。除了焊线瓷嘴以外，陶瓷材料亦可用于其他陶瓷物件，例如散热板材、假牙、骨科植入物(orthopedic implants)、直接覆铜陶瓷基板(Direct BondedCopper,DBC)、或高温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramic,HTCC)等，但本揭露并不以此为限。
上述陶瓷材料的形成方法可为混合适当比例的氧化铝与氧化锆组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。接着混合适当比例的ZTA与钪源。钪源可为氧化物、醋酸盐、硝酸盐、或其他合适的盐类。接着将混合物研磨成粉后，成型并烧结形成陶瓷材料。另一方面，可混合适当比例的ZTA、钪源、与其他金属源。钪源与其他金属源可为氧化物、醋酸盐、硝酸盐、或其他合适的盐类。接着将混合物研磨成粉后，成型并烧结形成陶瓷材料。值得注意的是，上述方法仅为形成陶瓷材料的方法之一，但本揭露并不限于此。本技术领域中具有通常知识者自可采用其他可行方法，掺杂适量的钪离子至ZTA中，或掺杂适量的钪离子与其他金属离子至ZTA中，以形成上述陶瓷材料。
为让本揭露的上述内容和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，作详细说明如下：
[实施例]
在以下实施例中，陶瓷材料的硬度量测标准为CNS 13983(精密陶瓷维克氏硬度试验法，Test method for vickers hardness of fine ceramics)。在以下实施例中，陶瓷材料的抗折强度量测标准为CNS 12701(精密陶瓷室温弯曲强度(破坏模数)试验法，Testmethod for flexural strength(modulus of rupture)of fine ceramics at roomtemperature)。
实施例1
取Al2O3(56.8g，100wt％)与ZrO2(20g，35wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA与氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)，将两者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表1所示。另外取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化钴(0.015重量分的Co离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表1所示。由表1可知，通过Sc离子的掺杂，可使陶瓷材料的硬度由1414.1Hv10增加至1605.3Hv10。而通过Sc离子与Co离子的掺杂，可使陶瓷材料的硬度由1414.1Hv10增加至1935.5Hv10，抗折强度为473.8MPa。
表1
| ZTA | Sc | Co | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.015 | 1935.5 |
实施例2
取Al2O3(56.8g，100wt％)与ZrO2(20g，35wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化铬(含0.014至0.027重量分的Cr离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ballmill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表2所示。另一方面，取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.026重量分的Sc离子)、与氧化铬(含0.014重量分的Cr离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表2所示。由表2可知，通过Sc离子与Cr离子以重量比例约1:0.05至1:0.93(例如约1:0.93)进行掺杂，可使陶瓷材料的硬度由1414.1Hv10增加至1768.3Hv10，抗折强度为452.7MPa。之后陶瓷材料的硬度随着Cr离子掺杂量的增加而减少。
表2
| ZTA | Sc | Cr | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.026 | 0.014 | 1623.1 |
| 100 | 0.013 | 0.014 | 1768.3 |
| 100 | 0.013 | 0.027 | 1327.9 |
实施例3
取Al2O3(64g，100wt％)与ZrO2(12.8g，20wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化锌(含0.016重量分的Zn离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表3所示。
表3
| ZTA | Sc | Zn | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.016 | 1736.8 |
实施例4
取Al2O3(61.7g，100wt％)与ZrO2(11.2g，18.1wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化钛(含0.012重量分的Ti离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表4所示。
表4
| ZTA | Sc | Ti | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.012 | 1720.7 |
实施例5
取Al2O3(61.5g，100wt％)与ZrO2(12.5g，20.4wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化锰(含0.0128重量分的Mn离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表5所示。
表5
| ZTA | Sc | Mn | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.0128 | 1963.9 |
实施例6
取Al2O3(61.7g，100wt％)与ZrO2(12.05g，19.5wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化镍(含0.016重量分的Ni离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表6所示。
表6
| ZTA | Sc | Ni | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.016 | 1939.9 |
比较例1
取Al2O3(64g，100wt％)与ZrO2(12.8g，20wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化镧(含0.0176重量分的La离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表7所示。由表7可知，并非所有金属离子均适于搭配钪离子掺杂ZTA以增加ZTA的硬度。
表7
| ZTA | Sc | La | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.0176 | 1401.9 |
比较例2
取Al2O3(64g，100wt％)与ZrO2(12.8g，20wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化钆(含0.0179重量分的Gd离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表8所示。由表8可知，并非所有金属离子均适于搭配钪离子掺杂ZTA以增加ZTA的硬度。
表8
| ZTA | Sc | Gd | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.0179 | 1585.1 |
比较例3
取Al2O3(64g，100wt％)与ZrO2(12.8g，20wt％)先混合组成氧化锆增韧的氧化铝(ZTA)。取100重量分的ZTA、氧化钪(含0.013重量分的Sc离子)、与氧化铁(含0.0144重量分的Fe离子)，将三者混合的粉末与80g的乙醇加入球磨罐中，并置于球磨机(ball mill)中球磨混合24小时，再取出干燥研磨成粉。取适量粉体在40kg/m2条件下压制成直径11mm的圆坯，加热到1500℃至1650℃后持温1小时，以形成陶瓷材料，其组成比例与硬度如表9所示。由表9可知，并非所有金属离子均适于搭配钪离子掺杂ZTA以增加ZTA的硬度。
表9
| ZTA | Sc | Fe | Hv10 |
| 100 | 0 | 0 | 1414.1 |
| 100 | 0.013 | 0 | 1605.3 |
| 100 | 0.013 | 0.0144 | 1291.1 |
虽然本揭露已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本揭露的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (10)
1.一种陶瓷材料，包括：
氧化锆增韧的氧化铝，掺杂钪离子。
2.如权利要求1所述的陶瓷材料，其中所述氧化铝与所述氧化锆的重量比例为100:15至100:35。
3.如权利要求1所述的陶瓷材料，其中所述氧化锆增韧的氧化铝与所述钪离子的重量比例为100:0.05至100:2。
4.如权利要求1所述的陶瓷材料，其中所述氧化锆增韧的氧化铝更掺杂其他金属离子，且所述其他金属离子为钴离子、铬离子、锌离子、钛离子、锰离子、镍离子、或上述的组合。
5.如权利要求4所述的陶瓷材料，其中所述氧化锆增韧的氧化铝与所述其他金属离子的重量比例为100:0.05至100:2。
6.如权利要求4所述的陶瓷材料，其中所述钪离子与所述其他金属离子的重量比例为1:0.05至1:1.25。
7.如权利要求1所述的陶瓷材料，所述陶瓷材料的硬度为1600Hv10至2200Hv10。
8.如权利要求1所述的陶瓷材料，所述陶瓷材料的抗折强度为400MPa至500MPa。
9.一种陶瓷物件，其为权利要求1至8中任一项所述的陶瓷材料制得。
10.如权利要求9所述的陶瓷物件，所述陶瓷物件包括焊线瓷嘴、散热板材、假牙、骨科植入物、直接覆铜陶瓷基板、或高温共烧陶瓷。
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