一种MnCoNi氧化物陶瓷红外灵敏元致密化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于红外探测器，特别是一种用于红外灵敏元一一MnCoNi氧化 物陶瓷薄片的致密化方法。
【背景技术】
[0002] 红外探测器主要用于卫星姿态控制分系统，用于捕捉地球0)2层的长波红外信号 并实现光电信号的转变。红外探测器的灵敏元一一热敏电阻薄片是由Mn、Co、Ni的氧化物组 成的具有负电阻温度系数的半导体陶瓷薄片，首先采用化学反应、物理研磨法制备粉体材 料，随后进行薄片压制、烧结、切割等工序制成。其宽度最小仅为0. 13mm，厚度仅为10 μ m， 由于尺寸较小、厚度很薄，因此其机械强度通常较差。
[0003]目前的薄片压制过程难以保证致密性，仅为上下两面施压，其余方向无约束，造成 薄片会沿着平面方向扩展，导致成型后坯体致密性较差，并存在坯体边缘与中心的尺寸厚 度和密度不一致等问题，同时容易造成薄片内部的裂纹、空洞等缺陷。上述缺陷通常存在于 薄片内部，很难通过光学检验进行剔除，是引起探测器噪声变大的潜在隐患。目前并无完全 适用红外探测器灵敏元致密化的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：提供了一种MnCoNi氧化物陶瓷红外灵敏元的致密化 方法，能够获得致密化程度高的红外灵敏元薄片，同时经过致密化处理后，薄片孔隙率低， 噪声、阻值合格率高。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] -种MnCoNi氧化物陶瓷红外灵敏元致密化的方法；包括以下步骤：
[0007] 步骤（1)
[0008] 选择表面无裂纹、孔洞的红外灵敏元薄片，固定于第一压板上表面的凹槽内；之后 将第二压板盖合于所述第一压板的上表面，获得待加工工件；
[0009] 步骤（2)
[0010] 将步骤（1)所得加工工件置于石墨炉中，向石墨炉中通入惰性气体增压，并将压 力增加至90Mpa±5Mpa，随后，石墨炉从室温逐渐升温至800°C ±20°C，升温速率为1~ 6°C /min，此时压力也升至130MPa±5Mpa，最后按照2~3°C /min速率逐步降温到室温； 待第一压板和第二压板恢复到常温、常压后打开样品室，取出灵敏元薄片，即完成致密化处 理。
[0011] 石墨炉从室温到800°C ±20°C的升温过程为：以升温速率3~4°C /min从室温逐 渐升温至260°C ±10°C ;以升温速率5~6°C /min从260°C ±10°C升温到600°C ±10°C ; 接着以升温速率1~2°C /min从600°C ±10°C到700°C ±10°C ;以升温速率5~6°C / min从700°C ±10°C升温到800°C ±20°C，到达最高温度800°C ±20°C，此时压力也升至 130MPa±5Mpa，在 800°C ±20°C 时保温 0· 5h ~0· 6h。
[0012] 所述第一压板为陶瓷材料，其一面开有若干个凹槽，另一面为平面，凹槽的形状与 红外灵敏元薄片相匹配；所述第二压板也为陶瓷材料，其两面均为平面。
[0013] 将红外灵敏元薄片置于第一压板和第二压板之间后，外侧采用金属压板压紧。
[0014] 所述金属压板的材料为钛合金。
[0015] 所述凹槽槽宽为0. 2~0. 4mm、槽深为0. 3~0. 6mm，相邻凹槽的内侧边缘间距为 2~4mm、槽长度30~60mm。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)通过本发明采用的施压及升温方法，使得红外灵敏元薄片致密性提高，灵敏 元断面孔隙明显减少，根据陶瓷的强度与孔隙率呈指数规律的公式计算，灵敏元强度提高 40%左右。
[0018] (2)经本发明方法进行致密化的红外灵敏元薄片的电性能合格率得到提高，由于 灵敏元强度的提高，能够克服薄片轻薄、易碎的缺点，经历后续工序后薄片内部损伤减少， 灵敏元薄片阻值、噪系合格率约为90%、80%以上，高于原有方法阻值、噪系合格率大致 80 %、60 %的水平。
[0019] (3)本发明的红外灵敏元薄片致密化工艺无湿度控制要求，工艺稳定性好。红外灵 敏元薄片受潮后会噪声变大导致失效，因而原有烧结方法在湿度较大的天气需要采用除湿 机，即使如此仍难以保证批次烧结质量一致性。热等静压腔体为惰性气体，因而无湿度控制 要求。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明红外灵敏元薄片升温速率曲线；
[0021] 图2a、图2b分别为未经致密化和经致密化的红外灵敏元薄片扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明的红外灵敏元薄片的致密化工艺包括灵敏元薄片制备、工装准备、薄片放 置、热等静压、测试检验等步骤。在所述热等静压后处理步骤中，将已经烧结成瓷的MnCoNi 氧化物陶瓷长条放入专用陶瓷工装中进行热等静压处理，具体包括以下步骤，包括给出的 一种MnCoNi氧化物陶瓷红外灵敏元薄片的制备方法，但本发明的致密化方法不限于给出 的制备方法，也可应用于采用其它方法制备的MnCoNi氧化物陶瓷红外灵敏元薄片，均可实 现红外灵敏元薄片的致密化处理：
[0023] (1)灵敏元薄片制备：
[0024] 第一步，按照MnCoNi原子比为52 :32 :16配制MnCoNi氧化物粉体，将粉料均匀摊 开在两块有机玻璃板之间形成约为Φ5cm~8cm的圆形区域；
[0025] 第二步，将上述双层有机玻璃板放置在油压机内，压力达到15±0.1 MPa后保压 IOs ；
[0026] 第三步，油压机卸掉压力后打开有机玻璃板，用小毛笔把有机玻璃板中压好的薄 片轻轻扫到玻璃板上，利用配有专用刀片架的测量显微镜，采用专用刀片将薄片切割为宽 度0. 17mm~0. 20mm或0. 38mm~0. 43mm(分别对应两种规格的产品），长度不小于30mm的 长条；
[0027] 第四步，把切好的长条生片用小毛笔轻轻排在一块单面陶瓷板上，将另外一块陶 瓷板盖放在上层，放入石英管式烧结炉的恒温区，温度设定为1100°c ±2°C，保持时间为30 分钟；
[0028] (2)工装准备：
[0029] 热等静压制备用的工装包括两块尺寸为80mmX 70mmX 5mm的钛合金平板（配有钛 合金螺钉及螺纹孔），两块尺寸为60_X50_X6mm的陶瓷板。其中一块陶瓷板双面均为 平面，另外一块陶瓷板一面为平面，另外一面开15条半开（一端开孔）的平行槽，槽宽为 0· 2~0· 4mm、槽深为0· 3~0· 6mm，槽（内侧边缘）间距2~4mm、槽长度30~60mm。
[0030] 使用时，陶瓷板开槽的一面朝上，盖上另外一块陶瓷板，将其放入两块不锈钢平板 中间，采用螺钉进行固定。
[0031] 对热等静压使用的工装进行检查、清洗，减少高温烧结过程中的有害物挥发，具体 操作过程如下：
[0032] 第一步，检查热等静压使用的工装各部件是否齐全，并进行配装，要求工装各部件 能匹配，螺钉拧入顺利且长度适合。
[0033] 第二步，对热等静压制备用的工装，陶瓷部分首先采用无尘布蘸取无水乙醇擦拭 干净，随后放入马弗炉中，在l〇〇〇°C保持3小时进行处理。
[0034] 第三步，对工装的金属部分，分拆后放入烧杯，采用丙酮、酒精、去离子水依次超声 清洗，随后在红外烘烤灯下烘烤干燥。
[0035] (3)薄片放置：
[0036] 将红外灵敏元薄片放入热等静压工装，具体操作过程如下：
[0037] 第一步，对制备的热敏电阻长条灵敏元薄片进行检验并挑选薄片，要求宽度为 (130±10) μπι或（300±20) μπι(分别对应两种规格的产品），厚度为（10±1) μπι，且在40 倍显微镜下该薄片的表面无裂纹、空洞等缺陷；
[0038] 第二步，陶瓷板开槽的一面朝上，将长度不小于30mm热敏电阻长条放入长条形槽 中，并盖上另外一块陶瓷板，将其放入两块不锈钢平板中间，使用螺钉将工装固定，注意此 过程中热敏电阻长条不要滑出半开槽口。
[0039] (4)热等静压：
[0040] 热等静压是将制品放置到密闭的容器中，通过惰性气体向制品施加各向同等的压 力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。针对红外灵敏元薄片的 具体操作过程如下：
[0041] 第一步，检查设备状态及主要部件检测有效性，所用型号为瑞典AVURE技术公司 的QIH - 15型，主要包括压力模块、抽真空系统、冷却系统、动力系统及控制系统，确保设备 各项检测指标正常；
[0042] 第二步，打开样品腔室，所用炉体为石墨炉，最高可耐温2000°C，腔体上部开放的 圆柱形，直径为203mm，高为305mm，将放置有热敏电阻长条的工装放入石墨炉中，此时注意 工装水平放置，小心热敏电阻长条滑落。
[0043] 第三步，开启冷却水系统，冷却温度上限设置为30°C，水压0. 2MPa，运行5min且 状态正常方可进行其它操作。
[0044] 第四步，检查压力模块封闭状态正常，采用惰性气体Ar气作为压力传递介质，最 高可施加压力为200MPa。
[0045] 第五步，开启抽真空系统，抽气速率为2. 7m3/h，抽气30min以上。
[0046] 第六步，通过热等静压机的控制计算机软件，进行参数设置，在升温开始前15min 将腔体压力增加到90MPa，之后随着温度升高逐步升高压力，由程序控制使得最高温度 800°C保温时压力为130MPa。
[0047] 第七步，升温曲线按照图1的升温速率曲线进行设置。从室温到260°C，升温速率 3~4°C /min ;从260°C到600°C，升温速率5~6°C /min ;从600°C到700°C，升温速率1~ 2°C /min ;从700°C到800°C，升温速率5~6°C /min。到达最高温度800°C并保温0. 5h后， 按照2~3°