一种氧化铝陶瓷及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在当今日益发展的电子工业时代，各种微电子、光电子原件的应用非常广泛。静电作为一种普遍的物理现象，静电放电能够破坏电子原件、改变半导体元器件的电性能、破坏电子系统，造成整个设备故障或失灵；与此同时，静电电荷释放时产生静电火花，极易引燃易燃易爆材料，造成极大危险和经济损失。因静电危害造成的损失越来越严重，因此，引起了人们对于防静电现象的重视。
3.陶瓷材料因具有耐磨性好、重量轻、强度高、抗辐射能力强、耐酸碱、耐腐蚀以及不易老化的特点，是理想的防静电材料，因此，高性能的防静电陶瓷的市场前景广阔。
4.防静电陶瓷是一种新型的防静电材料，它比以前使用的防静电涂层，塑料具有更高的强度，耐磨，耐腐蚀，是一种永久性的防静电材料，主要应用于航空，电子，计算机，化工等领域，是目前最理想的防静电材料。目前对防静电陶瓷的研究主要集中在氧化锆防静电陶瓷方面，很少有关于氧化铝防静电陶瓷的研究。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种氧化铝陶瓷及其制备方法和应用，采用所述制备方法制备的氧化铝陶瓷具有防静电性能优良、强度高、硬度高的特点。
6.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
8.s1、向陶瓷组合物中加入水、分散剂和粘接剂进行球磨，得到浆料，其中，所述陶瓷组合物按质量百分比计包括如下组分：氧化铝65％～95％(例如，可以为65％、75％、80％、90％或95％等)，二氧化钛3％～30％(例如，可以为3％、5％、15％、20％或30％等)，二氧化硅0.2％～1.5％(例如，可以为0.2％、1％或1.5％等)，助烧剂0.2％～3％(例如，可以为0.2％、1％、2％或3％等)，氧化锌0％～5％(例如，可以为0、1％、2％、3％、4％或5％等)；
9.s2、将所述浆料进行喷雾造粒，得到复合氧化铝粉料；
10.s3、将所述复合氧化铝粉料先进行干压成型，然后再进行冷等静压成型，得到素坯；
11.s4、将所述素坯先在无氧气氛下进行预烧结，然后再进行热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。
12.本发明提供的制备方法操作简单、设备要求低，制备的氧化铝陶瓷具有防静电性能优良、强度高、硬度高的特点。
13.上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述陶瓷组合物按质量百分比计包括如下组分：
[0014][0015]
本发明实施例制备的氧化铝陶瓷具有优良的防静电性能。
[0016]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述助烧剂包括三氧化二钇、氧化钙、氧化铌、氧化铈中的至少一种。
[0017]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述分散剂包括聚丙烯酸铵、柠檬酸铵中的至少一种。
[0018]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述粘接剂包括聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮中的至少一种。
[0019]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述分散剂的加入量为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.2～1wt％(例如可以为0.2wt％、0.4wt％、0.6wt％、0.8wt％或1wt％等)。
[0020]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述粘接剂的加入量为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.2～1.2wt％(例如可以为0.2wt％、0.4wt％、0.6wt％、0.8wt％、1wt％或1.2wt％等)。
[0021]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s1中，球、料和水的体积比为(2～4):(0.5～1.5):(0.5～1.5)，其中，所述料包括所述陶瓷组合物、所述分散剂和所述粘接剂。
[0022]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s1中，所述向陶瓷组合物中加入水、分散剂和粘接剂进行球磨，得到浆料，包括：
[0023]
将所述陶瓷组合物放入球磨罐中，再加入所述水和所述分散剂，以60～300r
·
min-1
的转速(例如转速可以为60r
·
min-1
、100r
·
min-1
、150r
·
min-1
、200r
·
min-1
、250r
·
min-1
或300r
·
min-1
)球磨40～80小时(例如球磨40小时、50小时、60小时、70小时或80小时等)，之后再加入所述粘接剂，继续球磨5～15小时(例如球磨5小时、10小时或15小时等)，得到所述浆料。
[0024]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述喷雾造粒的工艺为：进口温度为200～300℃(例如进口温度可以为200℃、220℃、240℃、260℃、280℃或300℃等)，出口温度为100～200℃(例如出口温度可以为100℃、120℃、140℃、160℃、180℃或200℃等)，负压为40～60pa(例如负压可以为40pa、50pa或60pa等)，雾化器频率为15～25hz(例如雾化器频率可以为15hz、20hz或25hz等)，雾化器转速为8000～9000r/min(例如雾化器转速可以为8000r/min、8500r/min或9000r/min等)，供料泵速率为25～30ml/min。
[0025]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s2中，所述喷雾造粒前，将所述浆料过150～250目筛网(例如，可以为150目筛网、200目筛网或250目筛网等)。
[0026]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s2中，所述喷雾造
粒后，将经喷雾造粒所得粉料经双层筛进行筛选，筛间物为所述复合氧化铝粉料，所述双层筛的上层筛网目数为60～90目(例如上层筛网目数可以为60目、70目、80目或90目等)，下层筛网目数为150～250目(例如下层筛网目数为150目、200目或250目等)。即取上层筛的筛下物，然后再采用下层筛进一步筛分，再取筛上物作为复合氧化铝粉料。
[0027]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述干压成型的条件包括：干压成型压强为5～50mpa(例如，成型压强可以为5mpa、10mpa、20mpa、30mpa、40mpa或50mpa等)，保压时间为3～10min(例如可以为3min、5min、7min、9min或10min等)。
[0028]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述冷等静压成型的条件包括：冷等静压成型压强为150-350mpa(例如冷等静压成型压强为150mpa、200mpa、250mpa、300mpa或350mpa等)，保压时间为5～15min(例如可以为5min、7min、9min、11min、13min或15min等)。
[0029]
本发明实施例通过限制干压成型和冷等静压成型的条件，可以使得所述素坯的密度控制在氧化铝陶瓷的理论密度的40％～55％范围内。
[0030]
本发明实施例通过限制先进行成型再烧结，可以制备得到大尺寸的氧化铝陶瓷，例如氧化铝陶瓷的尺寸可以为直径800mm、厚度30mm的圆柱体，或长1200mm、宽500mm、厚度30mm的长方体。
[0031]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述无氧气氛为氩气、氮气、氢气、一氧化碳、真空气氛中的至少一种。
[0032]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述预烧结的程序包括：从室温经20～60小时(例如可以为20小时、30小时、40小时、50小时或60小时等)升温至1400～1600℃(例如可以为1400℃、1450℃、1500℃、1550℃或1600℃等)并保温2-8小时(例如可以为2小时、4小时、6小时或8小时等)，最后自然冷却至室温。
[0033]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，所述热等静压烧结的压力为100～200兆帕(例如可以为100兆帕、120兆帕、140兆帕、160兆帕、180兆帕或200兆帕等)，所述热等静压烧结的气氛为氩气，所述热等静压烧结的温度为1300～1450℃(例如温度可以为1300℃、1350℃、1400℃或1450℃等)，所述热等静压烧结的时间为10～20小时(例如可以为10小时、12小时、14小时、16小时、18小时或20小时等)。
[0034]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s4中，将所述素坯先埋入埋粉中并在无氧气氛下进行预烧结，其中，所述埋粉包括石墨烯、石墨、碳化硅、碳化钨中的至少一种。
[0035]
本发明实施例通过将所述素坯埋粉烧结，可以制备得到色泽均匀的黑色氧化铝陶瓷，降低氧化铝陶瓷的电阻，改善氧化铝陶瓷的防静电性能。
[0036]
上述氧化铝陶瓷的制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤s4中，通过调整无氧气氛的种类，可以得到具有不同表面电阻和不同颜色的氧化铝陶瓷。
[0037]
第二方面，本发明提供了一种氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷是采用第一方面所述的氧化铝陶瓷的制备方法制备得到的。
[0038]
本发明提供的氧化铝陶瓷具有防静电性能、强度高、硬度高。
[0039]
上述氧化铝陶瓷中，作为一种优选实施方式，所述氧化铝陶瓷的表面电阻为105～10
10
欧姆，例如所述氧化铝陶瓷的表面电阻为105欧姆、106欧姆、107欧姆、108欧姆、109欧姆
或10
10
欧姆等。
[0040]
上述氧化铝陶瓷中，作为一种优选实施方式，所述氧化铝陶瓷的抗弯强度为350～600兆帕，例如强度可以为350兆帕、380兆帕、450兆帕、500兆帕或600兆帕等。
[0041]
上述氧化铝陶瓷中，作为一种优选实施方式，所述氧化铝陶瓷的维氏硬度为1500～1800hv，例如可以为1500hv、1600hv、1700hv或1800hv等。
[0042]
上述氧化铝陶瓷中，作为一种优选实施方式，所述氧化铝陶瓷的密度为3.6～4.4克/立方厘米。
[0043]
第三方面，本发明提供了一种根据第二方面所述的氧化铝陶瓷在制备防静电材料中的应用。
[0044]
示例性的，在航天器电子产品装联的生产过程中，采用本发明提供的氧化铝陶瓷可以预防和控制静电对电子元器件的损害，避免元器件的损坏直接影响航天器本身的质量与可靠性。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益技术效果至少包括以下一种：
[0046]
(1)本发明提供的制备方法操作简单、设备要求低，制备的氧化铝陶瓷具有防静电性能优良、强度高、硬度高的特点。
[0047]
(2)本发明制备的氧化铝陶瓷耐磨损、耐高温耐腐蚀、常温下电阻长期稳定，并且成本低，在电子陶瓷、功能陶瓷、半导体芯片行业以及结构陶瓷中具有广泛的应用。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例1～4制备的氧化铝陶瓷的外观示意图；
[0049]
图2为本发明对比例1制备的氧化铝陶瓷的外观示意图；
[0050]
图3为本发明实施例5制备的氧化铝陶瓷的外观示意图；
[0051]
图4为本发明实施例6制备的氧化铝陶瓷的外观示意图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
[0053]
除另有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的实验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验试剂用量，如无特殊说明，均为常规实验操作中试剂用量；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0054]
第一方面，本发明实施例提供了一种氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0055]
s1、将所述陶瓷组合物放入球磨罐中，再加入所述水和所述分散剂，以60～300r
·
min-1
的转速球磨40～80小时，之后再加入所述粘接剂，继续球磨5～15小时，得到浆料，其中，所述助烧剂包括三氧化二钇、氧化钙、氧化铌、氧化铈中的至少一种，所述分散剂包括聚丙烯酸铵、柠檬酸铵中的至少一种，所述粘接剂包括聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮中的至少一种，所述陶瓷组合物按质量百分比计包括如下组分：氧化铝65％～95％，二氧化钛3％～30％，二氧化硅0.2％～1.5％，助烧剂0.2％～3％，氧化锌0％～5％，所述分散剂的加入量
为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.2～1wt％，所述粘接剂的加入量为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.2～1.2wt％，球、料和水的体积比为(2～4):(0.5～1.5):(0.5～1.5)。
[0056]
s2、将所述浆料过150～250目筛网，进行喷雾造粒，之后将经喷雾造粒所得粉料经双层筛进行筛选，筛间物为复合氧化铝粉料，所述双层筛的上层筛网目数为60～90目，下层筛网目数为150～250目，所述喷雾造粒的工艺为：进口温度为200～300℃，出口温度为100～200℃，负压为40～60pa，雾化器频率为15～25hz，雾化器转速为8000～9000r/min，供料泵速率为25～30ml/min。
[0057]
s3、将所述复合氧化铝粉料先进行干压成型，然后再进行冷等静压成型，得到素坯，其中，所述干压成型的条件包括：干压成型压强为5～50mpa，保压时间为3～10min，所述冷等静压成型的条件包括：冷等静压成型压强为150-350mpa，保压时间为5～15min。
[0058]
s4、将所述素坯先埋入埋粉中并在无氧气氛下进行预烧结，然后再进行热等静压烧结，通过调整无氧气氛的种类，可以得到具有不同表面电阻的氧化铝陶瓷，其中，所述无氧气氛为氩气、氮气、氢气、一氧化碳、真空气氛中的至少一种，所述预烧结的程序包括：从室温经20～60小时升温至1400～1600℃并保温2-8小时，最后自然冷却至室温，所述热等静压烧结的压力为100～200兆帕，所述热等静压烧结的气氛为氩气，所述热等静压烧结的温度为1300～1450℃，所述热等静压烧结的时间为10～20小时，所述埋粉包括石墨烯、石墨、碳化硅、碳化钨中的至少一种。
[0059]
本发明实施例提供的制备方法操作简单、设备要求低，制备的氧化铝陶瓷具有防静电性能优良、强度高、硬度高的特点，在氧化铝陶瓷不包括纳米第二导电相的情况下，采用本发明实施例提供的制备方法，可以使得制备的氧化铝陶瓷具有优良的防静电性能，并同时具有优良的力学性能。
[0060]
第二方面，本发明提供了一种氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷是采用第一方面所述的氧化铝陶瓷的制备方法制备得到的，所述氧化铝陶瓷的表面电阻为105～10
10
欧姆，所述氧化铝陶瓷的抗弯强度为350～600兆帕，所述氧化铝陶瓷的维氏硬度为1500～1800hv，所述氧化铝陶瓷的密度为3.6～4.4克/立方厘米。
[0061]
第三方面，本发明提供了一种根据第二方面所述的氧化铝陶瓷在制备防静电材料中的应用。
[0062]
实施例1
[0063]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝90wt％，二氧化钛5wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌2wt％。
[0064]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0065]
s1、按照原料组成准确称取氧化铝(纯度99.98％)、二氧化钛(纯度99.9％)，二氧化硅(纯度99.9％)、三氧化二钇(纯度99.9％)和氧化锌(纯度99％)放入球磨罐中，再加入去离子水和适量分散剂(聚丙烯酸铵和柠檬酸铵，质量比为1:1)，所述分散剂的加入量为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.4wt％，用球磨机混合60小时，转速为150r
·
min-1
，之后再加入粘接剂(聚乙烯醇和聚乙烯醇吡咯烷酮，质量比为1:1)，所述粘接剂的加入量为所述陶瓷组合物中的各组分总量的0.5wt％，球、料(陶瓷组合物、分散剂和粘接剂)和去离子水的体积比为3:1:0.8，继续球磨混合10小时，得到浆料。
[0066]
s2、将步骤s1得到的浆料过200目筛网，然后进行喷雾造粒，以制备干燥的复合氧
化铝粉料，喷雾造粒的工艺为：进口温度260℃，出口温度120℃，负压50pa，雾化器频率20hz，雾化器转速8500转/分，供料泵速率25ml/min，将喷雾造粒所得粉料经80目筛、200目筛双层筛选，两者之间为合格产品，即本实施例所得复合氧化铝粉料。
[0067]
s3、把步骤s2制备的复合氧化铝粉料先放入模具中进行干压预成型，成型压强为20mpa，保压时间为5min，然后再把预成型的坯体真空包装后放入冷等静压机再进行压制，使坯体密度更加均匀致密，压强为150mpa，保压时间为10min，得到素坯，素坯的密度为1.9g/cm3。
[0068]
s4、把步骤s3得到的素坯放入坩埚中，并埋入组成为石墨和碳化硅的埋粉(石墨和碳化硅的质量比为3:1)中，然后在氩气和氢气(氩气和氢气的体积比为1:1)的混合气氛下按照从室温经20小时升温至1400℃并保温3小时，最后自然冷却至室温的过程进行烧结，得到预烧结体。
[0069]
将预烧结体于氩气气氛、压力100兆帕、1300℃条件下保温15小时进行热等静压烧结，得到氧化铝陶瓷。该氧化铝陶瓷的外观示意图如图1所示，由图1可知，该氧化铝陶瓷为黑色且色泽均匀。
[0070]
实施例2
[0071]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝80wt％，二氧化钛15wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌2wt％。
[0072]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1完全相同。
[0073]
本实施例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图如图1所示。
[0074]
实施例3
[0075]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝75wt％，二氧化钛20wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌2wt％。
[0076]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1完全相同。
[0077]
本实施例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图如图1所示。
[0078]
实施例4
[0079]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝65wt％，二氧化钛30wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌2wt％。
[0080]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1完全相同。
[0081]
本实施例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图如图1所示。
[0082]
实施例5
[0083]
原料：与实施例1完全相同。
[0084]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，在步骤s4中，在预烧结体制备的过程中，气氛为氮气。
[0085]
本实施例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图如图3所示。
[0086]
实施例6
[0087]
原料：与实施例1完全相同。
[0088]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，在步骤s4中，在预烧结体制备的过程中，气氛为一氧化碳。
[0089]
本实施例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图如图4所示。
[0090]
实施例7
[0091]
原料：与实施例1基本相同，不同之处在于，氧化铝92wt％，不包括氧化锌。
[0092]
参照实施例1提供的氧化铝陶瓷的制备方法制备氧化铝陶瓷。
[0093]
实施例8
[0094]
原料：与实施例1完全相同。
[0095]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，在步骤s4中，在预烧结体制备的过程中，不进行埋粉操作。
[0096]
对比例1
[0097]
原料：与实施例1完全相同。
[0098]
本发明实施例提供的氧化铝陶瓷的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，在步骤s4中，在预烧结体制备的过程中，气氛为空气气氛。
[0099]
图2为本对比例制备的氧化铝陶瓷的外观示意图，由图2可知，该氧化铝陶瓷为白色微黄，色泽不均匀。
[0100]
对比例2
[0101]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝100wt％。
[0102]
参照实施例1提供的氧化铝陶瓷的制备方法制备氧化铝陶瓷。
[0103]
对比例3
[0104]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝50wt％，二氧化钛45wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌2wt％。
[0105]
参照实施例1提供的氧化铝陶瓷的制备方法制备氧化铝陶瓷。强度很高但电阻太小不符合防静电标准。
[0106]
对比例4
[0107]
原料：陶瓷组合物，其中包括氧化铝90wt％，二氧化硅1wt％，三氧化二钇2wt％，氧化锌7wt％。
[0108]
参照实施例1提供的氧化铝陶瓷的制备方法制备氧化铝陶瓷。电阻和实施例1比没变化，强度降低很多。
[0109]
测试例
[0110]
对本发明实施例和对比例制备的氧化铝陶瓷的性能在室温下进行测试，结果如表1和表2所示。
[0111]
表面电阻测试采用表面电阻测试仪；抗弯强度采用抗弯强度测试仪，测试方法为三点抗弯强度测试法；硬度测试采用维氏硬度仪。
[0112]
表1
[0113]
[0114][0115]
表2
[0116][0117]
由表1和表2可知，实施例1-实施例6制备的氧化铝陶瓷不仅具有优良的防静电性能，还具有较高的强度和硬度；由对比例1可知，当烧结气氛为空气时，氧化铝陶瓷表面电阻过大，不具有防静电性能；由对比例3可知，当二氧化钛含量过高时，氧化铝陶瓷表面电阻过小，不具有防静电性能；由实施例1和对比例4可知，当用部分二氧化钛替代氧化锌时，不仅未降低氧化铝陶瓷的防静电性能，还提高了氧化铝陶瓷的强度和硬度。
[0118]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。