低溫共燒玻璃陶瓷材料的制備及性能、機(jī)理研究.pdf

1、根據(jù)最近國(guó)內(nèi)外低溫共燒陶瓷材料的研究進(jìn)展及存在的主要問(wèn)題，采用差熱分析儀、X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、阻抗分析儀、熱學(xué)性能和力學(xué)性能測(cè)試儀等系統(tǒng)研究了添加劑及氧化物取代對(duì)堇青石基玻璃的結(jié)構(gòu)、燒結(jié)性能、相組成、介電性能、熱膨脹性能和力學(xué)性能等的影響規(guī)律；新型系列玻璃/陶瓷復(fù)合材料中陶瓷引入量和燒結(jié)(熱壓)工藝與燒結(jié)、相組成、介電性能、熱學(xué)特性、顯微組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律；提出了微晶玻璃的燒結(jié)、晶化機(jī)理、相變機(jī)理和燒結(jié)過(guò)程

2、中石英和方石英的析出機(jī)理以及AIN/堇青石玻璃陶瓷復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制。主要結(jié)果如下： 系統(tǒng)地探討了氧化鉍和燒結(jié)工藝與堇青石基微晶玻璃的相轉(zhuǎn)變、燒結(jié)特性、物理性能和界面特性的關(guān)系：氧化鉍的加入降低了堇青石的μ相向α相轉(zhuǎn)變的溫度，有效促進(jìn)了燒結(jié)致密化。介電常數(shù)和抗折強(qiáng)度均隨氧化鉍的增加而增加，且與密度變化曲線相似；介電損耗隨氧化鉍的增加呈“V”字變化。熱膨脹系數(shù)隨氧化鉍的變化基本呈線性增加。氧化鉍的合理添加量為3～5wt％。90

3、0～950℃燒結(jié)致密樣品的介電常數(shù)約為5.3，介電損耗為10<'-3>，抗折強(qiáng)度大于130MPa，熱膨脹系數(shù)約為3.5×10<'-6>K<'-1>，極化普適關(guān)系指數(shù)n為0.5～0.9，具有良好的溫度和頻率穩(wěn)定性。材料與銀電極的界面結(jié)合良好，銀元素的擴(kuò)散深度約5μm，材料具有高的可靠性。 首次提出了氧化鈰在玻璃中的作用機(jī)制。添加少量氧化鈰起到網(wǎng)絡(luò)修飾體的作用，有利于降低玻璃的粘度，促進(jìn)堇青石的μ相向α相的轉(zhuǎn)變和燒結(jié)致密化。添加過(guò)多

4、氧化鈰不利于燒結(jié)。樣品的介電性能取決于氧化鈰含量和燒結(jié)溫度、晶體相的組成及致密程度。熱膨脹系數(shù)隨氧化鈰的增加呈“倒Z字”變化。熱膨脹系數(shù)隨溫度的增加基本上呈線性減小的趨勢(shì)，這與析出堇青石晶體的數(shù)量有關(guān)。抗折強(qiáng)度隨氧化鈰的增加呈先增后減的趨勢(shì)，且與氣孔率的變化曲線相似。添加氧化鈰為4wt％的樣品能夠低溫?zé)Y(jié)(≤950℃)。樣品具有良好的溫度和頻率穩(wěn)定性，其介電常數(shù)為5.3，介電損耗為2×10<'-3>，熱膨脹系數(shù)為2.5～2.8×10<'

5、-6>K<'-1>，抗折強(qiáng)度為115MPa，能夠滿(mǎn)足低溫共燒陶瓷的要求。首次系統(tǒng)地研究了添加氧化鋅和氧化鋅取代氧化鋁對(duì)微晶玻璃結(jié)構(gòu)、燒結(jié)、相轉(zhuǎn)變、顯微組織和物理性能的影響規(guī)律。添加1.5～3、wt％氧化鋅有利于降低玻璃的粘度，促進(jìn)玻璃粉體的燒結(jié)。添加過(guò)多的氧化鋅將使玻璃容易析晶而不利于燒結(jié)。隨氧化鋅的增加，有利于鋅鋁尖晶石和石英晶體相的析出。添加3wt％氧化鋅樣品的晶體析出順序與紅外光譜強(qiáng)吸收峰的位置變化相吻合。隨氧化鋅的增加，介電常數(shù)

6、大體上呈增加趨勢(shì)，介電損耗在氧化鋅為1～3wt％時(shí)有最小值。膨脹系數(shù)隨氧化鋅的增加呈線性增加。隨氧化鋅的增加，抗折強(qiáng)度先升后降，在氧化鋅為1.5wt％達(dá)到最大值。添加1.5～3.0wt％氧化鋅樣品低溫(≤950℃)燒結(jié)后具有低的介電常數(shù)(5.0～5.3)，低的介電損耗(2×10<'-3>)，低的熱膨脹系數(shù)(3.0～4.8×10<'-6>K<'-1>)，較高的抗折強(qiáng)度(≥120MPa)。樣品的溫度和頻率穩(wěn)定性良好。 隨氧化鋅替代量

7、的增加，玻璃的熔化溫度和晶化溫度明顯降低，玻璃轉(zhuǎn)變溫度呈先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)氧化鋅為5wt％和8wt％時(shí)，主晶相為α—堇青石；11wt％時(shí)，主晶相變?yōu)殇\鋁尖晶石和石英。氧化鋅的合理取代量為8wt％。900～925℃燒結(jié)的樣品具有97％的相對(duì)密度，低的介電常數(shù)(5.0～5.2)，低的介電損耗(<10<'-3>)，低的熱膨脹系數(shù)(4.0-4.2×10<'-6>K<'-1>)和高的抗折強(qiáng)度(≥125MPa)，是一種優(yōu)質(zhì)的低溫共燒陶瓷材料。

8、 提出了添加氧化鈰微晶玻璃的燒結(jié)機(jī)制和晶化機(jī)理：玻璃粉體的燒結(jié)機(jī)制屬于粘性流動(dòng)占主導(dǎo)地位的液相燒結(jié)過(guò)程：推導(dǎo)出氣孔率隨時(shí)間的變化和燒結(jié)動(dòng)力學(xué)常數(shù)K與燒結(jié)溫度的關(guān)系分別為：一lnp=kt+B和ln k=C-E/R T 。據(jù)此可算出添加0wt％，2wt％、4wt％和7wt％氧化鈰樣品的燒結(jié)活化能分別為221kJ/mol，203.1kJ/mol、196.0 kJ/mol和232.0kJ/mol。該燒結(jié)數(shù)學(xué)模型適用于燒結(jié)初、中期。隨氧化鈰的增

9、加，玻璃的析晶活化能逐漸增加，添加氧化鈰不利于玻璃的析晶。所有玻璃樣品均為表面晶化機(jī)理。 基于晶體結(jié)構(gòu)和玻璃“分相”的理論，首次提出了硼玻璃/鈣(鍶)長(zhǎng)石復(fù)合材料燒結(jié)過(guò)程中石英和方石英的析出機(jī)理。長(zhǎng)石獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使得M<'2+>(M=Ca，Sr)填充在四面體組成的通道空隙中來(lái)平衡電價(jià)保持電中性。在適當(dāng)?shù)臈l件下，組成中的M<'2+>(M=Ca，Sr)和玻璃中的組分容易發(fā)生相互擴(kuò)散，使得陶瓷顆粒周?chē)牟ＡЫM成發(fā)生了改變。由玻璃“分

10、相"理論可知，Ca<'2+>、Sr<'2+>和Zn<'2+>的共同作用導(dǎo)致了玻璃的分相。α-石英從富SiO<,2>中析出。溫度增加加劇了“分相”，方石英越容易從富硅玻璃相中直接析出，同時(shí)石英也能轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅰ＿@與添加氧化鋁抑制方石英的機(jī)理有所不同。系統(tǒng)研究了玻璃/陶瓷復(fù)合材料的組成和物理性能的關(guān)系。介電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)和顯微硬度隨陶瓷含量的增加而增加，而介電損耗隨之減小。燒結(jié)中α-石英和方石英的析出增加了材料的熱膨脹系數(shù)，但對(duì)材料的介電

11、性能影響不大。硼酸鋁的生成對(duì)玻璃/尖晶石復(fù)合材料的介電和熱膨脹性能有益。添加10wt％硼酸鋁能完全抑制高硅玻璃/硼酸鋁復(fù)合材料中石英和方石英的析出。750～1000℃制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能，能夠用于微電子封裝領(lǐng)域。 首次提出了AlN/堇青石玻璃復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要是載荷傳遞，增韌機(jī)制主要是裂紋的繞道偏轉(zhuǎn)、分叉和釘扎與增強(qiáng)顆粒相的拔出。 系統(tǒng)研究了AlN及熱壓工藝和復(fù)合材料燒結(jié)特性、介電性能、熱學(xué)性能和力學(xué)性能

12、的內(nèi)在關(guān)系。隨AlN的增加，致密度略有下降，介電常數(shù)和介電損耗逐漸增加。隨熱壓溫度提高，相對(duì)密度明顯增加，介電常數(shù)和介電損耗都降低。增加保溫時(shí)間可提高致密度。熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率隨AlN的增加而增加。AlN引入量不同的樣品表現(xiàn)出不同的導(dǎo)熱特性?？拐蹚?qiáng)度和斷裂韌性隨AlN的增加逐漸增加。當(dāng)AlN引入量為40％時(shí)，抗折強(qiáng)度和斷裂韌性都達(dá)到最大值，分別從基體的117MPa和1.27MPa,m<'1/2>提高到212MPa和3.04MPa.m<'