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【理想的ZTA陶瓷】:水立方与氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的设计
2020年07月10日 发布 分类:行业要闻 点击量:300
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氧化铝应用历史悠久,是最常见的先进陶瓷材料之一,但即便如此,它的潜能其实还有很多可发掘的空间。最直接的,就是改变陶瓷的成分——以Al2O3为基体,添加部分稳定ZrO2作为增韧相就能得到ZTA陶瓷。

ZTA陶瓷的机械性能介于Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷之间,既保留了Al2O3陶瓷高硬度和耐磨的特性,又有ZrO2陶瓷断裂韧性好和抗弯强度高的优点。当用于DBC电路板时,由于抗弯强度达750 Mpa以上,比96%氧化铝陶瓷基板高一倍,铜金属层厚度在100μm~500μm,因此可承受更高的载流容量。然而,ZrO2ZTA陶瓷中作为增韧相的同时,也是导电相。当ZrO2含量超过一定量时,ZTA陶瓷敷铜电路板会出现漏电流,发热元件会发生击穿的现象。因此若想将ZTA投入实际应用,必须要在满足机械强度的前提下,控制其导电率。

黑斑说明发热片印刷电阻线之间出现了漏电 

发热丝之间与亮线对应的地方出现了黑斑,说明发热片印刷电阻线之间出现了漏电

由于陶瓷材料的宏观性能是由材料的组成和显微结构决定的,因此科学家决定对ZTA陶瓷的微观结构下手,打算通过设计陶瓷的晶粒结构来制造出符合使用要求的陶瓷材料。不过要怎么进行“改造”,虽然并没有一个固定的思路,但无数实验结果证明,材料结构的设计往往能从自然界中的内在规律得到启发。

比如说英国理论物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)观察肥皂泡后,提出了著名的“开尔文问题”——如果将三维空间细分为若干个小部分,在相同体积下接触面积最小,这些细小的部分应该是什么形状?关于这个问题,目前的最佳答案是1993年由爱尔兰都柏林大学的两位物理学教授威尔和弗兰提出的方案:最小化表面能量的结构应该是由2个十二面体和6个十四面体组成的基本单元组合,具有三种表面形状,即一种六边形和两种五边形。而根据威尔-弗兰模型设计出的国家游泳中心“水立方”就被称为理论物理学的杰作。很凑巧的是,这种结构在ZTA陶瓷上同样也能觅得踪迹。

左:水立方;右:开尔文胞体阵列 

左:水立方  右:开尔文胞体阵列

于陶瓷粉体具有较高的表面自由能,在高温的作用下,粉体的过剩表面能成为烧结的动力,使粉体长成表面能趋向最小的多面晶体组合——也就是说在理想状态下,ZTA陶瓷烧结后其显微结构应类似于威尔-弗兰模型。通过实验,研究人员发现ZTA陶瓷的制备过程中,Al2O3晶粒确实会长成多面体并形成类似水立方的结构,而ZrO2则掺杂于其中(如下图)。

ZTA陶瓷烧结后的显微结构 

是不是和水立方很像?

按照威尔-弗兰模型,就能够推导出ZTA陶瓷中ZrO2的临界体积分数与Al2O3/ZrO2粒径比的立方成反比的公式,继而成为两相陶瓷材料设计的一个依据。但是别忘了前面说过的,ZTA陶瓷作为电路基本应用时,除了机械性能外还需要特别留意其电阻性能,因此还需要结合其他理论依据,确保导电相能够呈孤立状分布,材料的电阻率足够大。

即便知道基本原理,要得到理想的ZTA基板配比依旧不是一件简单的事情不仅需要足够的理论知识打底,更需要严谨的实验验证。但令人欣喜的是,来自郑州中瓷科技有限公司的吴崇隽先生所在的课题组已在该议题上取得了一定的成果,而在8月5~6号于广州举办的2020年全国氧化铝粉体制备与应用技术交流会上,他将在题为《水立方与氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的设计》的报告中为我们介绍相关内容。如果感兴趣的话,就千万不要错过了哦!

关于报告人

 

吴崇隽,1961年出生,1999年获得清华大学材料工程硕士学位;曾任珠海粤科京华电子陶瓷有限公司研发工程师、副总经理、总经理等职务,而粤科京华正是由清华大学周和平教授“高效流延法制备陶瓷薄膜”课题组技术转化的成果之一。吴崇隽全程参与整个项目的运营,对该技术的实践应用有深刻的理解。后来,吴崇隽又业内同仁合资成立珠海市香之君科技股份有限公司、郑州中瓷科技有限公司等多家片式陶瓷相关的企业。现任郑州中瓷科技有限公司总经理,致力于流延法制备氧化铝陶瓷基板的研发和生产。

粉体圈 小榆

 

 

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