專利名稱：一種復(fù)合陶瓷基板及其制備方法
一種復(fù)合陶瓷基板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合陶瓷基板及其制備方法。
背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。超材料的基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)組成，陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對電場或磁場產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過對人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，從而使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等?，F(xiàn)有的超材料人造微結(jié)構(gòu)一般為金屬材料,而介質(zhì)基板一般采用有機(jī)樹脂基板，有機(jī)樹脂基板材料的介電常數(shù)一般為3-5之間，而對于超材料的某些應(yīng)用而言，往往需要更低介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基板，在滿足各種機(jī)械性能的同時(shí)，很難尋找到合適的材料。硅石氣凝膠的主 要成分是SiO2,是通過溶膠凝膠方法將有機(jī)或無機(jī)硅源制備成濕凝膠，然后用氣體取代凝膠中的液體，通過干燥控制添加劑及干燥工藝的控制，保持其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本不變，從而得到納米多孔的硅石氣凝膠材料。硅石氣凝膠內(nèi)含大量空氣，其孔隙率可達(dá)80% 99%，其微孔尺寸范圍為I lOOnm。其納米多孔結(jié)構(gòu)使其具備許多優(yōu)良的電氣性能，如在3-40GHZ范圍內(nèi)，通過控制其孔隙度可將其介電常數(shù)控制在1.008-2.27范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)僅為普通SiO2的1/5，密度為5-200kg/m3，可耐壓力超過28MPa，電阻率為為SiO2的1000倍。SiO2氣凝膠的介電常數(shù)很低(1-2)，熱穩(wěn)定好，還具有絕緣、輕質(zhì)、無毒、阻燃、廉價(jià)等性能。在低介電常數(shù)無鉛超材料基板材料中有很好的應(yīng)用前景。而多孔二氧化硅氣凝膠電路基板基體具有低介電常數(shù)、絕緣、輕質(zhì)、無毒、阻燃、廉價(jià)等優(yōu)異性能；但硅石氣凝膠的導(dǎo)熱性能很差，為滿足某些基板散熱的需求，需要提高硅石氣凝膠陶瓷基板的導(dǎo)熱性能。而目前添加導(dǎo)熱填料是提高材料導(dǎo)熱性能的重要方法，導(dǎo)熱填料自身的導(dǎo)熱性能等對導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料具有重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:一種復(fù)合陶瓷基板及其制備方法，該復(fù)合陶瓷基板不僅可以大大降低其介電常數(shù)，還可以提高該基板的導(dǎo)熱性能。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:一種復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的制備方法包括以下步驟:a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將絕緣導(dǎo)熱粉體、溶劑、粘結(jié)劑、增塑劑、分散劑和造孔劑混合，球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后排膠、燒結(jié)，獲得多孔陶瓷基板；b、將溶劑、干燥控制添加劑、性能添加劑分別加入到硅源中形成溶膠，加入催化劑調(diào)節(jié)PH值，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板；C、將步驟b中的基板靜置、老化，然后用置換劑、表面修飾劑對基板表面進(jìn)行處理，干燥獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。所述的步驟a中燒結(jié):具體的是在溫度為1200-1700°C、惰性氣氛或還原氣氛下進(jìn)行2-20小時(shí)。通過控制造孔劑的量來控制所制基板的孔隙率達(dá)到1% -80%。所述的造孔劑為淀粉或石墨,加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體體積的1% -80%。所述的導(dǎo)熱粉體為AIN、BeO或SiC。所述的步驟a中的粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% -7%。所述的增塑劑為聚乙烯醇，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% _2%。所述的分散劑為磷酸酯或聚丙乙酰胺，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% _5%。所述步驟a中的溶劑為乙醇或甲苯。所述的硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃。所述的步驟b中的催化劑為鹽酸或醋酸調(diào)節(jié)pH值為10-13或催化劑為氨水調(diào)節(jié)pH值為3-5。一種復(fù)合陶瓷基板，其特征在于:由以上任意一項(xiàng)所述的方法制備的復(fù)合陶瓷基板。本發(fā)明的有益效果是:采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料制成多孔基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)；通過控制造孔劑的量來控制二氧化硅氣凝膠的量，從而制備所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板。
具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種復(fù)合陶瓷基板的制備方法，所述的制備方法包括以下步驟:a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將AlN、BeO或SiC絕緣導(dǎo)熱粉體、乙醇或甲苯溶劑、粘結(jié)劑、增塑劑、分散劑和造孔劑混合，球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后在350-450°C下排膠、在溫度為1200-1700°C、空氣或氮?dú)獾榷栊詺夥栈?% H2/95% N2等還原氣氛下燒結(jié)2-20小時(shí)，獲得多孔陶瓷基板；

具體為:通過控制造孔劑的量來控制所制基板的孔隙率可以達(dá)到1% -80%，從而控制二氧化硅氣凝膠的量，造孔劑為淀粉或石墨，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體體積的1% -80%；粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% -7% ;增塑劑為聚乙烯醇，力口入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的I % -2 分散劑為磷酸酯或聚丙乙酰胺，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% -5% ；b、將溶劑、干燥控制添加劑、性能添加劑分別加入到正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃等硅源中形成溶膠，加入催化劑調(diào)節(jié)PH值，當(dāng)催化劑為鹽酸或醋酸調(diào)節(jié)PH值為10-13，當(dāng)催化劑為氨水調(diào)節(jié)pH值為3-5，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板；C、將步驟b中的基板靜置、老化，然后用置換劑、表面修飾劑對基板表面進(jìn)行處理，干燥獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。
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采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料制成多孔基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)，還可以通過控制造孔劑的量來控制二氧化硅氣凝膠的量，從而制備所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板。實(shí)施例一:a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將A1N、乙醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、磷酸酯和淀粉按一定比例混合，聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、磷酸酯和淀粉加入量分別為AlN重量的1%、1.5%U%>1%,球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后在350°C下排膠、在溫度為1200°C、氮?dú)饣?% H2/95% N2下燒結(jié)2_5小時(shí)，獲得多孔陶瓷基板；b、將正硅酸甲酯:去離子水:無水乙醇:HCl按1: 3.5: 8: 8.4X10_4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高二氧化硅氣凝膠的機(jī)械性能，加入適量的二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為性能添加劑，為提高氣孔率，還可加入甲酰胺或乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2小時(shí)，滴入重量分?jǐn)?shù)為1.5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至3.0-3.5形成溶膠，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板，抽真空除去較大空氣泡；C、將步驟b中的基板在室溫下靜置6小時(shí)使溶膠凝膠，在丙酮中老化5天，期間采用丙酮置換劑進(jìn)行溶劑置換三次，去除凝膠內(nèi)的水，然后用三甲基氯硅烷表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，再對基板常溫常壓下干燥，去除丙酮，獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料制成的復(fù)合陶瓷基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，還大大降低了基板的介電常數(shù)。實(shí)施例二:a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將SiC、甲苯、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚丙乙酰胺和石墨按一定比例混合，聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚丙乙酰胺和石墨加入量分別為SiC重量的3.5%U%>2.球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后在400°C下排膠、在溫度為1500°C、氮?dú)饣?% H2/95% N2下燒結(jié)6_10小時(shí)，獲得多孔陶瓷基板；b、將正硅酸甲酯:去離子水:無水乙醇:HCl按1: 3.5: 8: 8.4X10_4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高二氧化硅氣凝膠的機(jī)械性能，加入適量的二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為性能添加劑，為提高氣孔率，還可加入甲酰胺或乙二醇作為干燥控制劑，70°C恒溫水浴保溫2.5小時(shí)，滴入重量分?jǐn)?shù)為1.5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至3.0-3.5形成溶膠，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板，抽真空除去較大空氣泡；
C、將步驟b中的基板在室溫下靜置6小時(shí)使溶膠凝膠，在丙酮中老化5天，期間采用丙酮置換劑進(jìn)行溶劑置換三次，去除凝膠內(nèi)的水，然后用三甲基氯硅烷表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，再對基板在常溫常壓下干燥，去除丙酮，獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料制成的復(fù)合陶瓷基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，還大大降低了基板的介電常數(shù)。實(shí)施例三:a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將BeO、乙醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、磷酸酯和淀粉按一定比例混合，聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、磷酸酯和淀粉加入量分別為BeO重量的7%、2%,5%,80%,球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后在450°C下排膠、在溫度為1700°C、氮?dú)饣?% H2/95% N2下燒結(jié)15-20小時(shí)，獲得多孔陶瓷基板；b、將正硅酸甲酯:去離子水:無水乙醇:HCl按1: 3.5: 8: 8.4X10_4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高二氧化硅氣凝膠的機(jī)械性能，加入適量的二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為性能添加劑，為提高氣孔率，還可加入甲酰胺或乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2小時(shí)，滴入重量分?jǐn)?shù)為1.5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至3.0-3.5形成溶膠，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板，抽真空除去較大空氣泡；C、將步驟b中的基板在室溫下靜置6小時(shí)使溶膠凝膠，在丙酮中老化5天，期間采用丙酮置換劑進(jìn)行溶劑置換三次，去除凝膠內(nèi)的水，然后用三甲基氯硅烷表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，再對基板常溫常壓下干燥，去除丙酮，獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料制成的復(fù)合陶瓷基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，還大大降低了基板的介電常數(shù)。

在上述實(shí)施例中，僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的制備方法包括以下步驟: a、預(yù)制多孔陶瓷基板:將絕緣導(dǎo)熱粉體、溶劑、粘結(jié)劑、增塑劑、分散劑和造孔劑混合，球磨形成均勻的混合溶液，采用流延成型法制成陶瓷生坯，然后排膠、燒結(jié)，獲得多孔陶瓷基板； b、將溶劑、干燥控制添加劑、性能添加劑分別加入到硅源中形成溶膠，加入催化劑調(diào)節(jié)PH值，在溶膠交聯(lián)后凝膠之前，將溶膠注入到步驟a中的多孔陶瓷基板； C、將步驟b中的基板靜置、老化，然后用置換劑、表面修飾劑對基板表面進(jìn)行處理，干燥獲得含有二氧化硅氣凝膠的復(fù)合陶瓷基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的步驟a中燒結(jié):具體的是在溫度為1200-1700°C、惰性氣氛或還原氣氛下進(jìn)行2-20小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:通過控制造孔劑的量來控制所制基板的孔隙率達(dá)到1% _80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的造孔劑為淀粉或石墨，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體體積的1% _80%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的導(dǎo)熱粉體為AlN、BeO 或 SiC。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的步驟a中的粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% _7%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的增塑劑為聚乙烯醇，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% _2%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的分散劑為磷酸酯或聚丙乙酰胺，加入量為絕緣導(dǎo)熱粉體重量的1% _5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中的溶劑為乙醇或甲苯。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷基板的制備方法，其特征在于:所述的步驟b中的催化劑為鹽酸或醋酸調(diào)節(jié)pH值為10-13或催化劑為氨水調(diào)節(jié)pH值為3-5。
12.一種復(fù)合陶瓷基板，其特征在于:包括權(quán)利要求1-11任意一項(xiàng)所述的方法制備的復(fù)合陶瓷基板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種復(fù)合陶瓷基板及其制備方法，采用熱導(dǎo)率較高的絕緣導(dǎo)熱材料如AlN、BeO或SiC制成多孔基板，提高了該基板的導(dǎo)熱性能；同時(shí)采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)；通過控制造孔劑的量來控制二氧化硅氣凝膠的量，從而制備所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板。
文檔編號C04B41/85GK103086745SQ20111033648
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 繆錫根, 李雪 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司