專利名稱：磁頭襯底材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁頭襯底材料及其制備方法，更確切地說涉及一種具有超微結(jié)構(gòu)、高 強度、顯微硬度適中的Al203/TiC/Ti3SiC2復合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自從1956年IBM公司推出世界上第一塊硬盤以來，通過減小體積和更新技術(shù)，硬 盤一直在不斷地發(fā)展演進。隨著1997年IBM公司在IBM磁盤驅(qū)動中引入巨磁阻技術(shù)以來， 磁盤驅(qū)動的面密度可以預期地持續(xù)增長。由于磁信號的記錄密度在很大程度上取決于磁頭 縫隙的寬度、磁頭的飛行高度以及記錄介質(zhì)的厚度，因而為了進一步提高磁存儲的密度和 容量，就需要不斷減小磁頭的體積，降低磁頭的飛行高度和減小磁記錄介質(zhì)的厚度。因此， 薄膜磁頭材料和薄膜磁存儲介質(zhì)是磁性材料當前發(fā)展的主要方向之一。Al203/TiC復合材料 作為磁頭襯底晶片的應用已有二十多年的歷史，到目前為止，Al2O3AiC磁頭襯底材料的制 備都是直接以Al2O3和TiC為原料，采用熱壓技術(shù)或者熱等靜壓技術(shù)在1600°C以上保溫半 個小時燒結(jié)，這些傳統(tǒng)的工藝的缺點是很長的高溫保溫時間容易導致晶粒粗化μ m)。磁頭在制造加工過程中，首先將磁性薄膜沉積在Al203/TiC陶瓷晶片上，然后進行 切割、研磨和拋光。在整個制備過程中，切割、研磨和拋光過程是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這是因為 Al203/TiC襯底材料是脆性材料，在上述過程中容易出現(xiàn)晶粒拔出和剝落的問題。特別是 當晶粒尺寸很大時，一旦出現(xiàn)晶粒拔出和剝落，將直接導致器件的報廢，這是因為TiC顆粒 的尺寸處于微米量級，它的硬度約為^GPa，而Al2O3基體的硬度約為21GPa，在拋光時由于 TiC顆粒比Al2O3基體硬，TiC顆粒很可能凸出Al2O3基體表面，而記錄磁頭的飛行高度約為 lOnm，這樣凸出Al2O3基體表面的TiC硬顆粒很容易劃傷硬盤表面。此外，Al203/TiC陶瓷 片是復相材料，在機械加工時，TiC硬顆粒容易剝落，劃傷陶瓷片本身已加工好的光滑表面； 并且由于Al203/TiC陶瓷片的整體硬度偏高，機械加工困難，導致成品率進一步降低。隨著 硬盤磁頭器件微型化發(fā)展，記錄磁頭的飛行高度約進一步降低，到達了幾個納米的高度，導 致目前磁頭Al203/TiC襯底材料的成品率進一步下降，所以目前的制備工藝已不能滿足硬 盤驅(qū)動器高速發(fā)展的需要。鑒于目前Al203/TiC磁頭襯底材料的上述不足，急需開發(fā)新型磁頭襯底材料，以取 代傳統(tǒng)的Al203/TiC陶瓷片磁頭襯底材料。Ti3SiC2由于具有特殊的納米層狀結(jié)構(gòu)，共價鍵、金屬鍵及離子鍵共存，因此集金屬 和陶瓷的優(yōu)異性能于一體，即它具有高強度、低密度、良好的化學穩(wěn)定性和抗氧化性、抗熱 沖擊、高的電導率和熱導率、塑性好、低硬度。盡管Ti3SiC2具有陶瓷般的強度，但卻表現(xiàn)出 金屬般的易加工性能，用普通的高速鋼鉆可在Ti3SiC2上鉆孔，無須加入潤滑劑，并可在孔 內(nèi)加工精細的內(nèi)螺紋，無毛刺，其車削性能好似石墨正是這些優(yōu)異的性能。本發(fā)明提供一種新型磁頭襯底材料及其制備方法。與傳統(tǒng)的Al203/TiC磁頭襯底 材料相比，Al203/TiC/Ti3SiC2新型磁頭襯底材料具有顯微結(jié)構(gòu)精細、致密度高、硬度適中、 良好的可加工性和優(yōu)秀的熱傳導性能，在磁頭襯底材料領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型磁頭襯底材料及其制備方法，其特征在于其組成 包括A1203、TiC和Ti3SiC2三種組分，其中Al2O3的含量為56vol % -35vol %，TiC的含量為 24vol % -15vol %，Ti3SiC2 含量 20vol % -50vol %。本發(fā)明關(guān)鍵在于設(shè)計材料組成，通過選擇原料組成配比、優(yōu)化工藝參數(shù)、控制顯微 結(jié)構(gòu)演化，獲得具有精細的顯微結(jié)構(gòu)、良好的導電和可加工性能燒結(jié)體材料。具體有以下各步驟1.燒結(jié)用原料粉體的選擇與制備燒結(jié)用原料粉體制備采用以下方式獲得直接采用A1203、TiC和Ti3SiC2粉體，按照一定的比例通過滾筒球磨進行混料，球 磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球料比例為7 1。再經(jīng)過篩獲得原料混合粉體。2.高溫燒結(jié)該過程在真空條件或惰性氣氛下進行，可選用熱壓、熱等靜壓或者放電等離子體 燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)等燒結(jié)方式。在制備過程中，需嚴格控制工藝參 數(shù)，包括燒結(jié)溫度、壓力、升溫速率、保溫時間等。燒結(jié)的溫度范圍為1400°C-1500°C (熱壓 或熱等靜壓)或1250 1350°C (放電等離子體燒結(jié)等燒結(jié))。


圖1為實施例1、3的X射線衍射圖；圖2為實施例3的燒結(jié)體的掃描電鏡(SEM) (a) 二次電子相，(b)背散射電子相；圖3為實施例1、3的熱導率隨溫度的變化關(guān)系。
具體實施例方式實施例1以S PS燒結(jié)組分為56% Al2O3-M^ TiC-20% Ti3SiC2的復合材料為例，首先將 Al2O3粉、TiC粉和Ti3SiC2粉置于氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質(zhì)球磨濕混合M小 時，轉(zhuǎn)速為250r/min，然后進行干燥。隨后利用標準尼龍篩對粉料進行過篩，以獲取所需粒 度分布的初始粉料。將粉料裝入石墨模具后，放入放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)。SPS制備過程在真空條件下進行。采用的燒結(jié)溫度為1300°C;升溫速率為100°C / min ；保溫時間為5分鐘；采用兩步加壓的方式，燒結(jié)前所施加的壓力為lOMPa，保溫階段所 施加的壓力為80MPa。所獲得的燒結(jié)體的硬度Hv為18. 34GPa,斷裂韌性1(^為4. 74MPa ·πι1/2, 抗彎強度為76IMPa,室溫熱導率K為5. OW · Μ—1 · Κ-1，室溫電導率為16. 9 X lOW1。實施例2以SPS燒結(jié)組分為49% Al203-21 % TiC-30% Ti3SiC2的復合材料為例。制備工藝 同“實施例1，，，所獲得的燒結(jié)體的硬度Hv為17. ISGPa,斷裂韌性Kre為5. 27MPa · m1/2,抗彎 強度為802MPa ；室溫熱導率K為5. 3W · Μ—1 · K—1，室溫電導率為41. 2 X IO4Sm^10實施例3以SPS燒結(jié)組分為42% Al203-18% TiC-40% Ti3SiC2的復合材料為例。制備工藝同“實施例1，，，所獲得的燒結(jié)體的硬度Hv為15. 05GPa,斷裂韌性Kre為6. 27MPa · m1/2,抗彎 強度為853MPa ；室溫熱導率K為5. 5W · M—1 · K—1，室溫電導率為47. IX IO4SnT1t5實施例4以熱壓燒結(jié)組分為42% Al203-18 % TiC-40% Ti3SiC2的復合材料為例。首先將 Al2O3粉、TiC粉和Ti3SiC2粉置于氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質(zhì)球磨濕混合M小 時，轉(zhuǎn)速為250r/min，然后進行干燥。隨后利用標準尼龍篩對粉料進行過篩，以獲取所需粒 度分布的初始粉料。將粉料裝入模具后，放入熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。整個燒結(jié)過程在真空條件下進行。采用的燒結(jié)溫度為1450°C ；升溫速率為20°C / min ；保溫時間為2小時；采用兩步加壓的方式，燒結(jié)前所施加的壓力為lOMPa，保溫階段所 施加的壓力為80MPa。所獲得的燒結(jié)體的硬度Hv為15. 6GPa,斷裂韌性Kre為7. 27MPa ·πι1/2, 抗彎強度為785MPa ；室溫熱導率K為5. Iff · Μ—1 · K—1，室溫電導率為38. IX IO4SnT1。
權(quán)利要求
1.磁頭襯底材料，其特征在于其組成包括Al203、TiC和Ti3SiC2=種組分，其中Al2O3的 含量為 56vol % -35vol %，TiC 的含量為 Mvol % _15vol %，Ti3SiC2 余量。
2.按權(quán)利要求1所述的磁頭襯底材料法，其特征在于Al2O3晶粒尺寸為200 400nm， TiC的晶粒尺寸為1 2um，Ti3SiC2晶粒尺寸在2 5um。
3.按權(quán)利要求1或2所述的新型磁頭襯底材料，其特征在于磁頭襯底材料的抗彎強度 600 900MPa，顯微硬度12 19GPa，室溫斷裂韌性4 8MPa · m1/2。
4.按權(quán)利要求1或2或3所述的磁頭襯底材料的制備方法，其特征在于直接采用A1203、 TiC和Ti3SiC2粉體直接混合，經(jīng)過燒結(jié)制備。
5.按權(quán)利要求4所述的磁頭襯底材料的制備方法，其特征在采用熱壓或熱等靜壓燒 結(jié)，燒結(jié)的溫度為1400°C -1500°C。
6.按權(quán)利要求4所述的磁頭襯底材料的制備方法，其特征在采用放電等離子體燒結(jié)等 技術(shù)進行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度為1250 1350°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁頭襯底材料及其制備方法，其特征在于采用Al2O3、TiC和Ti3SiC2為起始原料，首先通過滾筒球磨的方式進行混料，然后在高溫高壓的條件下將粉體燒結(jié)，從而獲得致密Al2O3/TiC/Ti3SiC2新型磁頭襯底材料。該材料的突出特點是組成包括Al2O3、TiC和Ti3SiC2三種組分，其中基體Al2O3晶粒尺寸為200-400nm，TiC的晶粒尺寸為1～2um，Ti3SiC2晶粒尺寸在2～5um。材料的抗彎強度在600～900MPa，顯微硬度在12～19GPa。該磁頭襯底材料具有制備周期短、能耗低、可加工性好，優(yōu)秀的傳熱性能等特性，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
文檔編號G11B7/241GK102054497SQ200910198398
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者劉磊峰, 張建峰, 江莞, 王連軍, 陳立東 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所