羅　征

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱　150066)

?

燒結(jié)溫度對(duì)三元燒結(jié)助劑氧化鋁陶瓷介電性能影響研究

羅征

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150066)

研究了不同的燒結(jié)助劑及燒結(jié)溫度下的氧化鋁陶瓷介電性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入三元體系燒結(jié)助劑(MgO+CaO+SiO2)時(shí)，介電常數(shù)為10.66，介電損耗為0.0011，擊穿強(qiáng)度為35.95 kV/mm，抗彎強(qiáng)度為396.1 MPa。對(duì)比不同燒結(jié)溫度下氧化鋁陶瓷的介電性能與機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)在1 600～1 620℃燒結(jié)的氧化鋁陶瓷樣品的介電性能與機(jī)械性能最優(yōu)。

氧化鋁；燒結(jié)助劑；介電性能；機(jī)械性能

0　引言

在屏蔽電機(jī)中，槽楔有絕緣以及支撐定子屏蔽套的作用，需滿足一定的介電性能、介電強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。在陶瓷材料中，氧化鋁陶瓷有著良好介電性能：介電常數(shù)適中，介電損耗較低而介電強(qiáng)度較高，同時(shí)氧化鋁的機(jī)械性能也十分良好。因此，氧化鋁陶瓷可以作為一種良好的陶瓷槽楔應(yīng)用材料。在氧化鋁陶瓷中，其介質(zhì)極化過(guò)程主要受到離子位移極化影響，因此，氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)主要受到純度與致密度的影響[1]。當(dāng)氧化鋁陶瓷中存在第二相時(shí)，復(fù)相陶瓷的介電常數(shù)可由Maxwell公式推導(dǎo)出來(lái)[2]：

(1)

式中：ε′是多相氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)，而Vd與Vm分別是第二相與氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)，εd與εm分別是第二相與氧化鋁的介電常數(shù)。當(dāng)?shù)诙嗍菤怏w時(shí)，Heidinger引入一定近似假定εm-εo?εm(其中εo為氣體的介電常數(shù)，接近于1)，公式1可變換為一個(gè)與實(shí)際數(shù)據(jù)很接近的關(guān)系式[3]：

(2)

氧化鋁陶瓷的介電損耗主要影響因素為缺陷、氣孔及晶界。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，Penn推導(dǎo)出介電損耗與氣孔率之間的關(guān)系式如下[3]：

(3)式中：tanδ0為氣孔率為零時(shí)的介電損耗，約為1.565×10-5；A′為常數(shù)，等于9.277×10-3。式中可以看出氧化鋁的介電損耗隨著孔隙率的升高而升高。氧化鋁的純度、摻雜種類、晶粒尺寸對(duì)于其介電強(qiáng)度有著重要的影響。

影響氧化鋁陶瓷介電性能的因素很多，如材料的組成、致密度、顯微結(jié)構(gòu)(織構(gòu))；缺陷、雜質(zhì)的種類和含量；表面狀態(tài)和表面處理工藝等。氧化鋁燒結(jié)助劑的加入是影響最大的因素之一，選擇合適的燒結(jié)助劑是制備滿足性能要求的氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵。因此，為得到性能良好的氧化鋁介電陶瓷，大量的工作圍繞著為對(duì)燒結(jié)助劑的探索[4-5]及對(duì)燒結(jié)工藝的研究[6]進(jìn)行。本文對(duì)氧化鋁陶瓷性能的研究主要圍繞燒結(jié)助劑、燒結(jié)溫度因素同時(shí)進(jìn)行。研究上述因素對(duì)氧化鋁陶瓷的致密度、力學(xué)性能、介電常數(shù)、介電損耗值等的影響，并得出一個(gè)性能最優(yōu)化的方案。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用山東淄博馳威公司的氧化鋁(Al2O3)粉體，粒度D50≤0.5 μm，純度99.99%；氧化釔粉體(Y2O3)來(lái)自有研稀土新材料股份有限公司，粒度D50≤0.5 μm，純度99.99%；氧化鎂(MgO)粉體來(lái)自中國(guó)上海試劑一廠，粒度D50≤0.5 μm，純度分析純(99%)；二氧化硅(SiO2)來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，粒度D50≤0.5 μm，純度分析純(99%)。

以超細(xì)氧化鋁粉體為原料，分別按單一添加劑MgO的加入量為5wt%；二元添加劑MgO+Y2O3(MgO、Y2O3分別為2.5wt%)；多元添加劑(MgO+CaO+SiO2)(MgO、CaO、SiO2分別為2.3wt%、1.6wt%、1.1wt%)作為燒結(jié)助劑。將稱好的原料放入球磨罐中，加入去離子水。球磨40 h后，加入3wt%PVA(根據(jù)料重計(jì)算)，球磨8 h。將球磨后的漿料用噴霧干燥機(jī)干燥，干燥后粉體具有很好的流動(dòng)性。在壓機(jī)上用模具壓制成型， 成型壓力為15 MPa。再在窯爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 570、1 585、1 600、1 620、1 650 ℃(保溫2 h)。

將實(shí)驗(yàn)樣品加工成直徑20 mm的圓片，厚度0.5 mm進(jìn)行介電性能測(cè)試。測(cè)試頻率為1 MHz，介電常數(shù)及介電損耗測(cè)試儀器為HF2810B型LCR數(shù)字電橋及4194A IMPENDANCE/GAIN-PHASE ANALYSER，介電強(qiáng)度測(cè)試儀器HF5013型超高壓耐壓測(cè)試儀。將樣品加工成試樣尺寸為3mm×4mm×36 mm，測(cè)量時(shí)跨距為30 mm進(jìn)行三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試。三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度儀器為SHIMADZU公司萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

2　結(jié)果與討論

2.1燒結(jié)助劑對(duì)性能的影響

本文燒結(jié)助劑以堿土金屬氧化物(MgO)為基本添加劑，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶砑觿┬揎?，?gòu)成二元與多元添加劑。分別選用MgO+Y2O3，MgO+CaO+SiO2作為二元與三元添加劑，使出現(xiàn)液相的溫度降低，從而促進(jìn)燒結(jié)，見(jiàn)表1。

表1　燒結(jié)溫度為1 600℃時(shí)，燒結(jié)助劑對(duì)氧化鋁陶瓷性能的影響

表1所示為采用不同燒結(jié)助劑在1 600 ℃燒結(jié)2 h得到的氧化鋁陶瓷的綜合性能。從表1可以看出，MgO單獨(dú)添加樣品的密度相對(duì)較低，介電損耗也相對(duì)較大，同樣擊穿強(qiáng)度也相對(duì)較低。而加入MgO+Y2O3與MgO+CaO+SiO2的樣品密度均較高，介電損耗也較小，同時(shí)擊穿強(qiáng)度均較高，但是三元添加的樣品具有更好的擊穿強(qiáng)度，這可能是因?yàn)?，三元添加燒結(jié)過(guò)程在晶界形成更多的玻璃相，而且玻璃相對(duì)氧化鋁是潤(rùn)濕的，有助于玻璃相的擴(kuò)散以及氧化鋁陶瓷的燒結(jié)，燒結(jié)的樣品應(yīng)該更為均勻。二元添加為準(zhǔn)固相燒結(jié)，晶界相難以遷移，混料過(guò)程中成分的不均勻會(huì)造成最終樣品的不均勻，由于成分的不均勻，局部存在大氣孔的概率增大。

同時(shí)，氧化鋁中MgO作為燒結(jié)助劑，陶瓷的抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低；以MgO+Y2O3作為燒結(jié)助劑，陶瓷的抗彎強(qiáng)度有所提高；而采用MgO+CaO+SiO2陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高較為明顯。MgO+CaO+SiO2陶瓷的抗彎強(qiáng)度的提高，一方面取決于陶瓷的致密度及存在氣孔的尺寸，另一方面也取決于晶粒的尺寸與晶界的強(qiáng)度。多元添加可以使氧化鋁在液相中有更高的溶解度，更好地促進(jìn)燒結(jié)，同時(shí)也抑制了晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，合理控制液相燒結(jié)也可以實(shí)現(xiàn)較好的晶界強(qiáng)度。從表1可以看出，采用三元添加劑(MgO+CaO+SiO2)燒結(jié)得到的氧化鋁陶瓷在介電性能以及力學(xué)性能方面都明顯優(yōu)于其他兩種，更適合作為氧化鋁介電陶瓷材料的燒結(jié)助劑。

2.2燒結(jié)溫度對(duì)性能的影響

針對(duì)燒結(jié)溫度對(duì)Al2O3+MgO+CaO+SiO2的陶瓷介電性能及機(jī)械性能影響進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)燒結(jié)溫度分別為1 570、1 585、1 600、1 620、1 650 ℃。從圖1中可以看出，燒結(jié)溫度對(duì)樣品的密度有較為明顯的影響，在1 570 ℃燒結(jié)時(shí)，樣品的密度相對(duì)較低，此時(shí)樣品的介電損耗與擊穿強(qiáng)度均相對(duì)較低。隨著燒結(jié)溫度升高，樣品的密度有所增加，介電損耗明顯降低，差不多降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，擊穿強(qiáng)度也有所提高，見(jiàn)圖2。

圖1　不同燒結(jié)溫度氧化鋁密度圖

圖2　不同燒結(jié)溫度下氧化鋁介電常數(shù)與介電損耗

隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品的抗彎強(qiáng)度也有所提高，在1 600～1 620 ℃燒結(jié)的樣品具有相對(duì)較高的抗彎強(qiáng)度，1 650 ℃燒結(jié)的樣品抗彎強(qiáng)度略有下降。在1 600～1 620 ℃燒結(jié)的樣品具有較高的致密度，晶粒尺寸也較小，這是抗彎強(qiáng)度較高的重要原因(見(jiàn)圖3)。綜合表中的性能指標(biāo)，認(rèn)為1 600～1 620 ℃對(duì)于以MgO+CaO+SiO2多元添加劑的體系是較為合適的燒結(jié)溫度，而且也說(shuō)明該體系有較寬的燒結(jié)溫度范圍，適于真正生產(chǎn)應(yīng)用。

圖3　不同燒結(jié)溫度下氧化鋁陶瓷的擊穿強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)不同燒結(jié)助劑及不同燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷介電性能及機(jī)械性能的影響，得出如下結(jié)論：

1) 相較燒結(jié)助劑為MgO及MgO+Y2O3的氧化鋁陶瓷而言，燒結(jié)助劑為MgO+CaO+SiO2的氧化鋁陶瓷致密度較高，介電常數(shù)為10.66，介電損耗最低，擊穿強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度最高。

2) 在1 600～1 620 ℃燒結(jié)的氧化鋁陶瓷樣品具有較高的致密度，較低的介電損耗，較高的介電常數(shù)，其擊穿強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度均最高。

[1]趙世柯. 電真空器件用氧化鋁陶瓷的介電性能[J]. 真空電子技術(shù)， 2007， (4): 20-25.

[2]Kingery W D， Bo wen H K， Uhlmann D R. Introduction to Ceramics [M]. New York: Wily (2nd ed)， 1977.

[3]Penn S J， A lfo rd N M， Templeton A， et al . Effect of Porosity and Grain Size on the Microwave Dielectric Properties of Sintered Alumina [J]. Journal of the American Ceramic Society， 2005， 80(7): 1885- 1888.

[4]司文捷， 劉人淼. 摻雜對(duì)高純氧化鋁陶瓷介電損耗的影響[J]. 稀有金屬材料與工程， 2007， 36(s1): 445-448.

[5]姚義俊， 蔣曉龍， 李純成， 等. 摻雜 Y2O3， Sm2O3對(duì)氧化鋁瓷介電性能的影響[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009， 27(04): 542-544.

[6]張巨先. 低介電損耗微晶氧化鋁陶瓷研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006， 26(01): 77-79.