專利名稱：：多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電子材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及多元摻雜的氧化鈹陶瓷材料及制備工藝。
背景技術(shù)：
：氧化鈹陶瓷材料具有高導(dǎo)熱率、高熔點、高強(qiáng)度、高絕緣、高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗以及良好的工藝適應(yīng)性等特點，在真空電子技術(shù)、核技術(shù)、微電子與光電子
技術(shù)領(lǐng)域：
得到廣泛應(yīng)用。利用高熱導(dǎo)率的氧化鈹陶瓷制作的高檔散熱元件和部件，主要應(yīng)用于微波、毫米波、大功率、高組裝密度的電子元器件或組件中，將大功率器件中產(chǎn)生的熱能及時傳導(dǎo)出去。能更好的承載導(dǎo)熱功能，從而保證器件的穩(wěn)定性和可靠性，有利于器件獲得良好的寬頻匹配特性，減少功率損失，提高器件抗功率載荷能力、高溫工作壽命、增強(qiáng)器件、整機(jī)、甚至系統(tǒng)的效能，滿足電子裝備對電子器件高密度、多功能、大功率化的要求。高導(dǎo)熱氧化鈹陶瓷已成為一種電子信息技術(shù)以及航天航空應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)電子功能材料。目前，在微波技術(shù)、真空電子技術(shù)、微電子與光電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，氧化鈹陶瓷作為絕緣、導(dǎo)熱的關(guān)鍵材料，正起著其他材料越來越無法取代的作用。氧化鈹陶瓷的熱導(dǎo)率、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)劣與氧化鈹陶瓷的純度、密度緊密相關(guān)。一般而言，純度越高，氧化鈹陶瓷的性能越好，但是高純的氧化鈹陶瓷很難燒結(jié)，燒結(jié)溫度非常高，一般要在其配方中添加少量的摻雜劑來降低其燒成溫度，改善其燒結(jié)性能。目前被用作慘雜劑以降低氧化鈹陶瓷的燒結(jié)溫度的材料主要有Al203、MgO和Si02等。但多數(shù)含有摻雜劑的氧化鈹陶瓷材料都是采用一元或二元的摻雜劑，即只含有A1203、MgO或Si02中的一種或兩種摻雜劑，這種一元或二元的摻雜劑摻雜的氧化鈹陶瓷材料的燒結(jié)溫度高，陶瓷材料熱導(dǎo)率也不理想，室溫?zé)釋?dǎo)率通常在240W/nvk以下。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料及制備方法。本發(fā)明提供的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料具有明顯較低的燒結(jié)溫度，高的密度、熱導(dǎo)率和機(jī)械性能；同時，其制備方法工藝簡單、成本較低且具有良好的重復(fù)性，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料，其主要成分是氧化鈹，還包括0.2~0.6%質(zhì)量的多元摻雜劑。所述多元摻雜劑由MgO、A1203、Si02、CaO、ZnO和稀土氧化物組成，各組分的質(zhì)量百分比含量為MgO:5~60%，A1203:0~40%，Si02:20~95%，CaO:0.1~0.5%，ZnO:0~0.5%，含Y、La、Ce或Sm的單一或任意混合的稀土氧化物0.01~0.5%。多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟步驟一、采用溶膠-凝膠法制備多元摻雜劑。所述多元摻雜劑由MgO、A1203、Si02、CaO、ZnO和稀土氧化物組成，各組分的質(zhì)量百分比含量為MgO:5~60%，A1203:0~40%，Si02:20~95%，CaO:0.1~0.5%，ZnO:0~0.5%，含Y、La、Ce或Sm的單一或任意混合的稀土氧化物0.01~0.5%。具體制備步驟如下步驟l.將鎂化合物、鋁化合物、鈣化合物、鋅化合物、稀土氧化物溶于濃硝酸，得到溶液A。所述鎂、鋁、鈣或鋅的化合物為含鎂、鋁、鈣或鋅且可溶于硝酸的化合物；各組分的用量應(yīng)按照多元摻雜劑中相應(yīng)組分及質(zhì)量百分比進(jìn)行折算。步驟2.將正硅酸乙酯、穩(wěn)定劑和無水乙醇按照體積比為正硅酸乙酯:穩(wěn)定劑:無水乙醇等于10:2:510:4:30的比例配制成混合溶液B;其中，正硅酸乙酯的用量應(yīng)按照多元摻雜劑中Si02的質(zhì)量百分比進(jìn)行折算。步驟3.對步驟1.所得的溶液A適當(dāng)加熱蒸發(fā)后，然后均勻混入步驟2.所得的溶液B，反應(yīng)形成溶膠C。步驟4.烘干步驟3.制得的溶膠C，得到干凝膠D。步驟5.預(yù)燒步驟4.制得的干凝膠D，得到多元摻雜劑的粗制粉體E。步驟6.對步驟5.制得的多元摻雜劑的粗制粉體E進(jìn)行研磨，得到多元摻雜劑的超細(xì)粉末F。步驟7.對步驟6.制得的多元摻雜劑的超細(xì)粉末F添加0.050.1X表面活性劑，得到最終的多元摻雜劑。步驟二、將步驟一制得的多元摻雜劑與高純氧化鈹原料均勻混合后，經(jīng)高壓下干壓成型、高溫?zé)Y(jié)后得到本發(fā)明所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料。需要說明的是步驟一的步驟l.中，所述鎂化合物為MgO、Mg(N03)、Mg(C03)或MgAc2;所述鋁化合物為Ab03或A1(N03)3;所述鈣化合物為CaO、Ca(N03)2、CaC03或CaAc2;所述鋅化合物為ZnO、Zn(N03)2或ZnAc2。；所述稀土氧化物為Y203、La203、Ce02或Sm203。步驟一的步驟2.中，所述穩(wěn)定劑為四氫呋喃、乙酰丙酮或乙二醇乙醚中的一種或多種。步驟一的步驟3.中，所述反應(yīng)生成凝膠C的過程，應(yīng)控制溫度在65'C95'C之間，且加以攪拌使其充分混合反應(yīng)。步驟一的步驟4.中，所述烘干過程為將步驟3.制得的溶膠C放入烘箱中，調(diào)整溫度在50130°C，510小時后形成凝膠，25日后成為干凝膠D。步驟一的步驟5.中，所述預(yù)燒過程為將步驟3.制得的干凝膠D放置于30(TC65(rC的溫度環(huán)境下保溫26小時，形成多元摻雜劑的粗制粉體E。步驟一的步驟6.中，所述對步驟5.制得的多元摻雜劑的粗制粉體E進(jìn)行的研磨過程為采用氧化鋯磨球的濕法球磨工藝，控制粗制粉體E與去離子水比例在1:11:3之間，球磨時間為520小時，干燥后即得多元摻雜劑的超細(xì)粉末F。步驟一的步驟7.中，所述表面活性劑為聚乙二醇、吐溫或甲基纖維素。步驟二中的所述高壓條件為15Mpa的壓力，所述高溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)溫度為150(TC1570°C，燒結(jié)時間為2小時左右。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料具有明顯較低的燒結(jié)溫度(150(TC1570'C)，更高的密度(大于2.92g/cm3)、熱導(dǎo)率(大于270w/nvk)和機(jī)械性能(大于220Mpa);其陶瓷材料燒結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)具有致密，晶粒大小均勻，氣孔少的特點。同時，其制備方法工藝簡單、可以有效地降低生產(chǎn)成本以及減少制備環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，且具有良好的重復(fù)性，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。說明書附圖圖1為采用本發(fā)明所制備的用于高性能氧化鈹陶瓷材料的多元摻雜劑的SEM圖。圖2為本發(fā)明制備的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷基片材料的表面SEM圖。具體實施方式實施例1按重量百分比MgO(5~40wt%)，A1203(2555wt%)，CaO:(0.15wt%)，Y203(0.010.5wt%)可折算得到Mg(N03)2、A1(N03)3、Ca(N03)2、丫203的用量，按照計算所得的用量準(zhǔn)確稱取Mg(N03)2、A1(N03)3、Ca(N03)2、丫203溶于濃硝酸中，加熱蒸發(fā)溶劑得到反應(yīng)混合溶液A，控制溶液A的溫度(65°C95°C)。按重量百分比Si02(1065wt%)，準(zhǔn)確量取正硅酸乙酯、穩(wěn)定劑、無水乙醇并按比例混合均勻(穩(wěn)定劑采用乙酰丙酮，正硅酸乙酯乙醇范圍2:11:3;正硅酸乙酯穩(wěn)定劑的范圍為5:15:2得到混合溶液B。當(dāng)A溶液加熱濃縮到一定程度時(約B溶液體積的1.5倍)，將A倒入B中，不斷攪拌使其充分反應(yīng)。將溶膠放入烘箱中，調(diào)整溫度為50130°C，510小時后形成凝膠，25日后烘干成為干凝膠。干凝膠在300650°C(保溫l小時)預(yù)燒得粗制粉體。將預(yù)燒好的粉體經(jīng)過濕法球磨(玻璃與去離子水的比例為1:1，時間20小時)，干燥后進(jìn)行處理即得到本發(fā)明的添加劑粉體T1。采用高純氧化鈹原料，添加0.2%丁1，經(jīng)造粒，在15Mpa的壓力下干壓成型，1550'C下保溫2小時燒結(jié)得到多元摻雜的氧化鈹陶瓷樣品Bl;采用高純氧化鈹原料，添力卩0.6XT1，經(jīng)造粒，在15Mpa的壓力下干壓成型，155(TC下保溫2小時燒結(jié)得到多元摻雜的氧化鈹陶瓷樣品B2。Bl和B2各方面性能如表1所示。實施例2按重量百分比MgO(5~40wt%)，A1203(l5wt%)，ZnO:(00.5wt%)，La203(0.010.5wt%)，可折算得到Mg(N03)2、AI(N03)3、Zn(N03)2、1^203的用量，按照計算所得的用量準(zhǔn)確稱取Mg(N03)2、A1(N03)3、Zn(N03)2、La203溶于濃硝酸中，加熱蒸發(fā)溶劑得到反應(yīng)混合溶液A，控制溶液A的溫度(65°C95°C)。按重量百分比Si02(1065wt%)，準(zhǔn)確量取正硅酸乙酯、穩(wěn)定劑、無水乙醇并按比例混合均勻(穩(wěn)定劑采用乙酰丙酮，正硅酸乙酯乙醇范圍2:11:3;正硅酸乙酯穩(wěn)定劑的范圍為5:15:2得到混合溶液B。當(dāng)A溶液加熱濃縮到一定程度時(約B溶液體積的1.5倍)，將A倒入B中，不斷攪拌使其充分反應(yīng)。將溶膠放入烘箱中，調(diào)整溫度為50130°C，510小時后形成凝膠，25日后烘干成為干凝膠。干凝膠在300650°C(保溫1小時)預(yù)燒得粗制粉體。將預(yù)燒好的粉體經(jīng)過濕法球磨(玻璃與去離子水的比例為1:1，時間20小時)，干燥后進(jìn)行處理即得到本發(fā)明的添加劑粉體T2。采用高純氧化鈹原料，添加0.5XT2，經(jīng)造粒，在15Mpa的壓力下干壓成型，1550'C下保溫2小時燒結(jié)得到多元摻雜的氧化鈹陶瓷樣品B3。B3各方面性能如表1所示。實施例3按重量百分比MgO(5~40%)，A1203(05wt%)，CaO:(0.10.5wt%),La203(0.010.5wt%)，可折算得到Mg(N03)2、A1(N03)3、Ca(N03)2、1^203的用量，按照計算所得的用量準(zhǔn)確稱取Mg(N03)2、A1(N03)3、La203溶于濃硝酸中，加熱蒸發(fā)溶劑得到反應(yīng)混合溶液A，控制溶液A的溫度(65。C95'C)。按重量百分比Si02(1065wt%)，準(zhǔn)確量取正硅酸乙酯、穩(wěn)定劑、無水乙醇并按比例混合均勻(穩(wěn)定劑采用乙二醇乙醚，正硅酸乙酯乙醇范圍2:11:3;正硅酸乙酯穩(wěn)定劑的范圍為l:11:2得到混合溶液B。當(dāng)A溶液加熱濃縮到一定程度時(約B溶液體積的1.5倍)，將A倒入B中，不斷攪拌使其充分反應(yīng)。將溶膠放入烘箱中，調(diào)整溫度為50130°C,510小時后形成凝膠，25日后烘干成為干凝膠。干凝膠在30065(TC(保溫l小時)預(yù)燒得粗制粉體。將預(yù)燒好的粉體經(jīng)過濕法球磨(玻璃與去離子水的比例為l:l，時間20小時)，干燥后進(jìn)行處理即得到本發(fā)明的添加劑粉體T3。采用高純氧化鈹原料，添加0.5XT3，經(jīng)造粒，在15Mpa的壓力下干壓成型，1550'C下保溫2小時燒結(jié)得到多元摻雜的氧化鈹陶瓷樣品B4。B4各方面性能如表1所示。表l各例中多元摻雜的氧化鈹陶瓷樣品的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料，其主要成分是氧化鈹，其特征是，還包括0.2～0.6％質(zhì)量的多元摻雜劑；所述多元摻雜劑由MgO、Al2O3、SiO2、CaO、ZnO和稀土氧化物組成，各組分的質(zhì)量百分比含量為MgO5～60％，Al2O30～40％，SiO220～95％，CaO0.01～0.5％，ZnO0～0.5％，含Y、La、Ce或Sm的單一或任意混合的稀土氧化物0.01～0.5％。2、多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟步驟一、采用溶膠-凝膠法制備多元摻雜劑；所述多元摻雜劑由MgO、A1203、Si02、CaO、ZnO和稀土氧化物組成，各組分的質(zhì)量百分比含量為MgO:5~60%，A1203:0~40%，Si02:20~95%，CaO:0.1~0.5%，ZnO:0~0.5%，含Y、La、Ce或Sm的單一或任意混合的稀土氧化物0.01~0.5%;具體制備步驟如下步驟1.將鎂化合物、鋁化合物、鈣化合物、鋅化合物、稀土氧化物溶于濃硝酸，得到溶液A;所述鎂、鋁、鈣或鋅的化合物為含鎂、鋁、鈣或鋅且可溶于硝酸的化合物；各組分的用量應(yīng)按照多元摻雜劑中相應(yīng)組分及質(zhì)量百分比進(jìn)行折算；步驟2.將正硅酸乙酯、穩(wěn)定劑和無水乙醇按照體積比為正硅酸乙酯:穩(wěn)定劑:無水乙醇等于10'.2:510:4:30的比例配制成混合溶液B;其中，正硅酸乙酯的用量應(yīng)按照多元摻雜劑中Si02的質(zhì)量百分比進(jìn)行折算；步驟3.對步驟1.所得的溶液A適當(dāng)加熱蒸發(fā)后，然后均勻混入步驟2.所得的溶液B，反應(yīng)形成溶膠C;步驟4.烘干步驟3.制得的溶膠C，得到干凝膠D;步驟5.預(yù)燒步驟4.制得的干凝膠D，得到多元摻雜劑的粗制粉體E;步驟6.對步驟5.制得的多元摻雜劑的粗制粉體E進(jìn)行研磨，得到多元摻雜劑的超細(xì)粉末F;步驟7.對步驟6.制得的多元摻雜劑的超細(xì)粉末F添加0.050.1%表面活性劑，得到最終的多元摻雜劑；步驟二、將步驟一制得的多元摻雜劑與高純氧化鈹原料均勻混合后，經(jīng)高壓下干壓成型、高溫?zé)Y(jié)后得到本發(fā)明所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟l.中，所述鎂化合物為MgO、Mg(N03)、Mg(C03)或MgAc2;所述鋁化合物為A1203或A1(N03)3;所述鈣化合物為CaO、Ca(N03)2、CaC03或CaAc2;所述鋅化合物為ZnO、Zn(N03)2或ZnAc2。；所述稀土氧化物為Y203、La203、Ce02或Sm203。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟2.中，所述穩(wěn)定劑為四氫呋喃、乙酰丙酮或乙二醇乙醚中的一種或多種。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟3.中，所述反應(yīng)生成凝膠C的過程，應(yīng)控制溫度在65'C95'C之間，且加以攪拌使其充分混合反應(yīng)。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟4.中，所述烘干過程為將步驟3.制得的溶膠C放入烘箱中，調(diào)整溫度在50130°C，510小時后形成凝膠，25日后成為干凝膠D。7、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟5.中，所述預(yù)燒過程為將步驟3.制得的干凝膠D放置于30(TC65(rC的溫度環(huán)境下保溫26小時，形成多元摻雜劑的粗制粉體E。8、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟6.中，所述對步驟5.制得的多元摻雜劑的粗制粉體E進(jìn)行的研磨過程為采用氧化鋯磨球的濕法球磨工藝，控制粗制粉體E與去離子水比例在1:11:3之間，球磨時間為520小時，干燥后即得多元摻雜劑的超細(xì)粉末F。9、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟一的步驟7.中，所述表面活性劑為聚乙二醇、吐溫或甲基纖維素。10、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟二中的所述高壓條件為15Mpa的壓力，所述高溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)溫度為150(TC157(TC，燒結(jié)時間為2小時。全文摘要本發(fā)明屬于電子材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料，除氧化鈹外，還包括0.2～0.6％質(zhì)量的多元摻雜劑；所述多元摻雜劑由MgO、Al₂O₃、SiO₂、CaO、ZnO和稀土氧化物組成，各組分的質(zhì)量百分比含量為MgO5～60％，Al₂O₃0～40％，SiO₂20～95％，CaO0.1～0.5％，ZnO0～0.5％，含Y、La、Ce或Sm的單一或任意混合的稀土氧化物0.01～0.5％。通過溶膠-凝膠法制備多元摻雜劑，然后與高純氧化鈹原料混合、成型、高溫?zé)Y(jié)后得到本發(fā)明的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料。本發(fā)明提供的多元摻雜的高性能氧化鈹陶瓷材料具有較低的燒結(jié)溫度、更高的密度、熱導(dǎo)率和機(jī)械性能；其微觀結(jié)構(gòu)具有致密、晶粒均勻、氣孔少的特點。其制備方法工藝簡單、生產(chǎn)成本較低，且具有良好的重復(fù)性，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。文檔編號C04B35/01GK101182189SQ20071005052公開日2008年5月21日申請日期2007年11月15日優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日發(fā)明者吳孟強(qiáng),周曉華,張樹人,鐘朝位申請人:電子科技大學(xué)