專利名稱：電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法，屬電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
流延成型(Tape Casting)是一種能夠獲得高質(zhì)量、超薄型陶瓷基片的成型方法。目前已經(jīng)能夠成型厚度在3μm以上的薄片陶瓷材料。其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，可連續(xù)操作，生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。
流延成型是將陶瓷粉末與有機(jī)結(jié)合劑(如纖維素醋酸丁烯、乙醚纖維素、石油樹(shù)脂、聚乙烯聚丙烯酸酯)、增塑劑(如丁基苯甲基酞酸、酞酸酯混合物、磷酸三甲苯酯)、懸浮劑(如脂肪酸、天然魚(yú)油、苯磺酸)、潤(rùn)濕劑(如乙基苯甘醇、聚氧乙烯酯)等添加劑在溶劑(如苯、甲苯、二甲苯、丙酮)中混合，形成均勻穩(wěn)定懸浮的漿料。成型時(shí)漿料從料斗下部流至基帶之上，通過(guò)基帶與刮刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成坯膜，坯膜的厚度由刮刀控制。將坯膜連同基帶一起送入烘干室，溶劑蒸發(fā)，有機(jī)結(jié)合劑在陶瓷顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成具有一定強(qiáng)度和柔韌性的坯片，干燥的坯片連同基帶一起卷軸待用。在儲(chǔ)存過(guò)程中使殘留溶劑分布均勻，消除濕度梯度。然后可按所需形狀切割、沖片或打孔。最后經(jīng)過(guò)燒結(jié)得到成品。
傳統(tǒng)的流延成型工藝不足之處在于所使用的溶劑(苯、甲苯、二甲苯等)具有一定的毒性，環(huán)境污染嚴(yán)重且成本較高。此外，漿料中有機(jī)物含量較高，生坯密度低，脫脂過(guò)程中坯體易變形開(kāi)裂，影響產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)上述缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)始嘗試用水基溶劑體系替代有機(jī)溶劑體系。使用水作溶劑需要加入石蠟系、有機(jī)硅系除泡劑及醇類非離子界面活性劑以改善漿料穩(wěn)定懸浮的能力。由于水的蒸發(fā)熱較高，干燥較為困難，在干燥過(guò)程中易造成坯體收縮開(kāi)裂，并產(chǎn)生有機(jī)物成分梯度分布，而且尚不能顯著降低有機(jī)物(結(jié)合劑、增塑劑等)的用量。因此目前在實(shí)際生產(chǎn)中使用的仍然是有機(jī)溶劑。
本發(fā)明的目的是提出一種電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法，其工藝原理是在有機(jī)單體水溶液中加入固體粉料和分散劑，制備成高固相含量(大于50vol％)且具有一定流動(dòng)性的懸浮體漿料，加入單體聚合引發(fā)劑和催化劑并使之在漿料中均勻分散，進(jìn)行流延成型，在40～80℃引發(fā)單體聚合反應(yīng)，聚合物形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使?jié){料固化成膜，達(dá)到成型目的。由于有些聚合反應(yīng)存在氧氣阻聚的問(wèn)題，在成型過(guò)程中采取惰性氣體保護(hù)或使用覆蓋物隔絕空氣的辦法保證聚合反應(yīng)順利進(jìn)行。
本發(fā)明的電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法，主要包括以下步驟(1)將有機(jī)單體和交聯(lián)劑按照重量比為40～80∶1的比例混合后與水溶解，制備成2～20％的預(yù)配液；(2)將陶瓷粉末與分散劑加入預(yù)配液，分散劑占陶瓷粉末的重量百分比為0.1～1％，制備出固相含量大于50wt％，且具有一定流動(dòng)性的穩(wěn)定懸浮的漿料；(3)將配制好的漿料球磨混合40～80小時(shí)，然后抽真空至-0.1MPa或振動(dòng)除泡；(4)在除泡后的漿料中加入單體聚合引發(fā)劑和催化劑，在流延機(jī)上流延成型，引發(fā)劑占漿料的體積百分比為0.01～0.8％，催化劑占漿料的體積百分比為0.1～1％；(5)流延出來(lái)的坯膜用惰性氣體保護(hù)或覆蓋物隔絕空氣，在40～80℃引發(fā)聚合反應(yīng)，經(jīng)15min～1h固化成型；(6)將成型的坯片加工成所需形狀，在1000～2000℃下燒結(jié)0.5～5h得到成品。
本發(fā)明的方法中所用的有機(jī)單體包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、2-羧乙基甲基丙烯酸酯等；所使用的交聯(lián)劑包括N，N’-亞甲雙丙烯酰胺、聚乙烯雙丙烯酸、乙二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯等；所使用的引發(fā)劑包括過(guò)氧化二苯酰、偶氮二異丁晴、過(guò)硫酸鉀、過(guò)硫酸銨、過(guò)氧化氫等；所使用的催化劑包括N，N，N’，N’-四甲基乙二胺等；所使用的分散劑包括檸檬酸銨、四甲基氫氧化銨、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙烯酸銨等。
本發(fā)明的流延機(jī)設(shè)備，能夠克服空氣阻聚效應(yīng)使有機(jī)單體順利聚合。為了隔絕空氣以利于料漿中單體的聚合反應(yīng)，在傳統(tǒng)的流延機(jī)上增加了惰性氣體保護(hù)裝置或覆蓋裝置；使用的惰性氣體包括氮?dú)狻鍤獾?；使用的覆蓋裝置包括能夠在生坯表面提供覆蓋物的裝置；所使用的覆蓋裝置還包括可用于覆蓋的薄膜；所使用的覆蓋裝置還包括可用于覆蓋的玻璃片。
利用本發(fā)明的方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)使用水作溶劑，消除了使用有機(jī)溶劑造成的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)可以大大降低生產(chǎn)成本，并改善工作條件；(2)利用單體聚合的原理達(dá)到成型目的，與傳統(tǒng)的流延成型依靠有機(jī)物的粘結(jié)作用達(dá)到成型目的相比，有機(jī)物用量大大降低，可以免除單獨(dú)的脫脂工序
(3)漿料可以達(dá)到較高的固相含量，所以生坯密度較高；(4)接近于凈尺寸成型，幾乎沒(méi)有體積收縮；(5)成型的坯膜均勻性高，質(zhì)量好；(6)聚合物高分子與陶瓷顆粒結(jié)合緊密，成型的坯膜強(qiáng)度高，柔韌性好，便于后加工。
下面介紹本發(fā)明實(shí)施例實(shí)施例195氧化鋁陶瓷基片快速凝固流延成型在100毫升水中加入10克有機(jī)單體丙烯酰胺結(jié)晶物和0.2克交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺制成預(yù)配液，加入400克95氧化鋁陶瓷粉末，加入1克檸檬酸銨作分散劑；將配制成的漿料球磨混合40小時(shí)；加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨溶液0.5毫升；加入催化劑四甲基乙二胺1毫升；流延成型后在60℃使用氮?dú)獗Ｗo(hù)下經(jīng)30min完成聚合反應(yīng)，得到固化的坯片，干燥后在1550℃燒結(jié)2h得到厚度為0.2毫米陶瓷基片。
實(shí)施例2碳化硅薄片快速凝固流延成型在100毫升水中加入11克有機(jī)單體甲基丙烯酰胺和0.18克交聯(lián)劑聚乙烯雙丙烯酸制成預(yù)配液。在預(yù)配液中加入340克碳化硅粉末，加入0.3毫升四甲基氫氧化銨作分散劑；將配制成的漿料球磨混合60小時(shí)加入引發(fā)劑0.5毫升過(guò)硫酸銨和催化劑四甲基乙二胺0.8毫升；流延成型后在80℃使用氬氣保護(hù)經(jīng)20min完成聚合反應(yīng)，得到固化的坯片，干燥后1850℃燒結(jié)1h得到厚度為0.5毫米的陶瓷基片。
實(shí)施例3氮化硅薄片快速凝固流延成型在實(shí)施例1中的預(yù)配液中加入300克氮化硅粉末，加入0.5毫升四甲基氫氧化銨作分散劑；將配制成的漿料球磨混合60小時(shí)；加入引發(fā)劑0.8毫升過(guò)硫酸銨溶液；催化劑四甲基乙二胺1.2毫升；流延成型后在50℃使用塑料薄膜覆蓋經(jīng)35min完成聚合反應(yīng)，得到固化的坯片，干燥后1800℃燒結(jié)1h得到厚度為0.2毫米的陶瓷基片。
實(shí)施例4鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷電容器薄片器件快速凝固流延成型使用化學(xué)反應(yīng)合成的鋯鈦酸鉛粉料，粒度為0.5～2微米，密度為7.6g/cm3。在實(shí)施例1中的預(yù)配液中加入一定量的鋯鈦酸鉛粉料，同時(shí)加入1％的聚丙烯酸作分散劑，制成55vol％的懸浮漿料；球磨80小時(shí)；按100∶1加入過(guò)氧化氫作為引發(fā)劑；在兩塊間隔1毫米的玻璃板之間流延成型；在60℃經(jīng)30min完成聚合反應(yīng)，干燥后在1100℃燒結(jié)1h得到厚度為1毫米的坯片。
權(quán)利要求
1.一種電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將有機(jī)單體和交聯(lián)劑按照重量比為40～80∶1的比例混合后與水溶解，制備成2～20％的預(yù)配液；(2)將陶瓷粉末與分散劑加入預(yù)配液，分散劑占陶瓷粉末的重量百分比為0.1～1％，制備出固相含量大于50wt％，且具有一定流動(dòng)性的穩(wěn)定懸浮的漿料；(3)將配制好的漿料球磨混合40～80小時(shí)，然后抽真空至-0.1MPa或振動(dòng)除泡；(4)在除泡后的漿料中加入單體聚合引發(fā)劑和催化劑，在流延機(jī)上流延成型，引發(fā)劑占漿料的體積百分比為0.01～0.8％，催化劑占漿料的體積百分比為0.1～1％(5)流延出來(lái)的坯膜用惰性氣體保護(hù)或覆蓋物隔絕空氣，在40～80℃引發(fā)聚合反應(yīng)，經(jīng)15min～1h固化成型；(6)將成型的坯片加工成所需形狀，在1000～2000℃下燒結(jié)0.5～5h得到成品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的有機(jī)單體為丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的交聯(lián)劑為N，N’-亞甲雙丙烯酰胺或聚乙烯雙丙烯酸。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨或過(guò)氧化氫。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的催化劑為N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的分散劑為檸檬酸銨、四甲基氫氧化銨或聚丙烯酸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子陶瓷基板及薄片陶瓷器件的快速凝固流延成型方法,該方法首先將有機(jī)單體和交聯(lián)劑混合后與水溶解,制備成預(yù)配液;然后將陶瓷粉末與分散劑加入預(yù)配液,將配制好的漿料球磨混合,抽真空除泡;在除泡后的漿料中加入引發(fā)劑和催化劑,在流延機(jī)上流延成型,流延后固化成型;燒結(jié)0得到成品。使用本發(fā)明的方法,成型的坯膜強(qiáng)度高,柔韌性好,便于后加工。
文檔編號(hào)C04B35/622GK1246465SQ9911923
公開(kāi)日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1999年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月27日
發(fā)明者黃勇, 向軍輝, 謝志鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)