一种热膨胀系数可调控的封接用复相陶瓷及其制备方法

本发明涉及陶瓷-金属封接材料，尤其是一种热膨胀系数可调控的封接用复相陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、异质材料器件因其能够组合不同材料的优异性能，提高设计和生产的灵活性，满足现代工业技术对器件多功能和高性能的需求，具有较高的技术和经济价值。为保证元器件封接封装向大功率、高集成、微型化发展，具有高强度、抗氧化、耐腐蚀和高电绝缘性的陶瓷材料与金属的连接成为重点关注的方向。

2、为实现与304l不锈钢的匹配封接，现有的方法中通过引入形核剂，在热处理过程中诱导方石英相生长进而调控微晶玻璃的热膨胀系数。该方法存在一些不足：一是方石英在200～300℃会发生体积相变，导致微晶玻璃的热膨胀系数发生突变，这会导致熔封冷却阶段裂纹的产生；二是方石英生长的速度慢，导致熔封过程中热处理时间长，耗能高；三是工艺条件复杂、生产设备要求高，该方法采用了多段热处理诱导方石英和石英的生长，所需要的设备和工艺条件更为复杂。

技术实现思路

1、本发明提供一种热膨胀系数可调控的封接用复相陶瓷及其制备方法，用于克服现有技术中熔封过程易产生裂纹、热处理时间长、耗能高，以及制备工艺复杂等缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提出一种热膨胀系数可调控的复相陶瓷，所述复相陶瓷包括膨胀相和基体相，所述膨胀相为石英晶体，所述基体相由li2o-sio2-ro构成，其中ro为b2o3、al2o3、mgo、na2o、zro2和la2o3中的至少一种；所述基体相和膨胀相的质量比为(60～90):(10～40)。

3、为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述热膨胀系数可调控的复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：按质量比sio2 70～80％、li2co3 10～20％、h3bo3 7.5～15％、mgo 0～3％、al2o3 0～2％、na2co3 0～2％、la2o3 0～1％、zro2 0～1％称取原料，混匀，得到混合料；

5、s2：对所述混合料进行熔炼，得到澄清的玻璃液；

6、s3：将所述玻璃液在去离子水中水淬后取出，干燥玻璃渣，并对所述玻璃渣球磨进行球磨，得到基体相；

7、s4：选取石英原料，并球磨，得到膨胀相；

8、s5：将所述基体相和膨胀相按特定质量比(60～90):(10～40)进行混合，加入粘接剂配制成浆料，造粒，压制成型，得到复合陶瓷坯体；

9、s6：将所述复合陶瓷坯体加热至450～500℃，保温15～60min；再升温至800～1000℃进行高温烧结，保温0.5～2h，得到所述复相陶瓷。

10、为实现上述目的，本发明还提出一种热膨胀系数可调控的复相陶瓷的应用，将上述所述复相陶瓷或者上述所述制备方法制备的复相陶瓷应用于与304l不锈钢的匹配封接中。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

12、1、本发明提供的热膨胀系数可调控的复相陶瓷包括膨胀相和基体相，基体相选用li2o和sio2为主成分，b2o3、al2o3、mgo、na2o、zro2和la2o3中的至少一种作为修饰剂。通过调节高热膨胀相与基体相的比例，对复相陶瓷的热膨胀系数进行调控；同时本发明利用石英高热膨胀相替换了原有技术方案中的方石英高热膨胀相，从而避免了方石英的大量析出，减少了熔封过程中封接体裂纹的产生。

13、2、本发明提供的热膨胀系数可调控的复相陶瓷具有优异的高温稳定性。传统高热膨胀封接玻璃在高温服役环境中方石英会与基体相中析出的li2sio3反应形成低热膨胀相li2si2o5。而本发明通过引入石英相来有效避免上述有害反应的发生，显著提升了复相陶瓷的高温稳定性。

14、3、本发明提供的热膨胀系数可调控的复相陶瓷的制备方法石英原料是一次性引入基体相中，不需要长时且复杂的热处理工艺诱导方石英生长，提高了电子器件封接过程中的生产效率。此外，该制备方法工艺条件简单，制备得到的复相陶瓷只需要一段热处理制度即可完成熔封，对加热设备要求低，成本低廉，可很好的应用于与304l不锈钢等金属材料的匹配封接中。

技术特征：

1.一种热膨胀系数可调控的复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷包括膨胀相和基体相，所述膨胀相为石英晶体，所述基体相由li2o-sio2-ro构成，其中ro为b2o3、al2o3、mgo、na2o、zro2和la2o3中的至少一种；所述基体相和膨胀相的质量比为(60～90):(10～40)。

2.如权利要求1所述的复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷热膨胀系数调节范围为9.4～16.2ppm/℃，温度区间为25～500℃。

3.一种如权利要求1或2所述热膨胀系数可调控的复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述混匀具体为：

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述熔炼具体为：

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述基体相粒径为1～5μm；所述球磨的转速为600～700rpm，环境温度为20～25℃。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述石英原料为石英微球或者二氧化硅微球；所述石英微球粒径为1～100μm，所述二氧化硅微球粒径为100～500nm。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，若选取二氧化硅微球，则还需进行以下步骤：

9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s5中，所述压制成型的压力为0.5～0.6mpa。

10.一种热膨胀系数可调控的复相陶瓷的应用，其特征在于，将权利要求1或2所述复相陶瓷或者权利要求3～9任一项所述制备方法制备的复相陶瓷应用于与304l不锈钢的匹配封接中。

技术总结
本发明公开一种热膨胀系数可调控的封接用复相陶瓷及其制备方法，该复相陶瓷包括膨胀相和基体相，基体相选用Li<subgt;2</subgt;O和SiO<subgt;2</subgt;为主成分，B<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、MgO、Na<subgt;2</subgt;O、ZrO<subgt;2</subgt;和La<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;中的至少一种作为修饰剂。通过调节高热膨胀相与基体相的比例，对复相陶瓷的热膨胀系数进行调控。该制备方法石英原料是一次性引入基体相中，不需要长时且复杂的热处理工艺诱导方石英生长，提高了电子器件封接过程中的生产效率。

技术研发人员：陈兴宇,张为军,黄明,胡永兴,毛海军,刘卓峰,白书欣
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4