[发明专利]多元掺杂的高性能氧化铍陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及多元掺杂的氧化铍陶瓷材料及制备工艺。

背景技术

氧化铍陶瓷材料具有高导热率、高熔点、高强度、高绝缘、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点，在真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。

利用高热导率的氧化铍陶瓷制作的高档散热元件和部件，主要应用于微波、毫米波、大功率、高组装密度的电子元器件或组件中，将大功率器件中产生的热能及时传导出去。能更好的承载导热功能，从而保证器件的稳定性和可靠性，有利于器件获得良好的宽频匹配特性，减少功率损失，提高器件抗功率载荷能力、高温工作寿命、增强器件、整机、甚至系统的效能，满足电子装备对电子器件高密度、多功能、大功率化的要求。高导热氧化铍陶瓷已成为一种电子信息技术以及航天航空应用领域不可或缺的基础电子功能材料。

目前，在微波技术、真空电子技术、微电子与光电子技术领域，氧化铍陶瓷作为绝缘、导热的关键材料，正起着其他材料越来越无法取代的作用。

氧化铍陶瓷的热导率、介电常数、介质损耗等关键参数的优劣与氧化铍陶瓷的纯度、密度紧密相关。一般而言，纯度越高，氧化铍陶瓷的性能越好，但是高纯的氧化铍陶瓷很难烧结，烧结温度非常高，一般要在其配方中添加少量的掺杂剂来降低其烧成温度，改善其烧结性能。

目前被用作掺杂剂以降低氧化铍陶瓷的烧结温度的材料主要有Al₂O₃、MgO和SiO₂等。但多数含有掺杂剂的氧化铍陶瓷材料都是采用一元或二元的掺杂剂，即只含有Al₂O₃、MgO或SiO₂中的一种或两种掺杂剂，这种一元或二元的掺杂剂掺杂的氧化铍陶瓷材料的烧结温度高，陶瓷材料热导率也不理想，室温热导率通常在240W/m·k以下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多元掺杂的高性能氧化铍陶瓷材料及制备方法。本发明提供的多元掺杂的高性能氧化铍陶瓷材料具有明显较低的烧结温度，高的密度、热导率和机械性能；同时，其制备方法工艺简单、成本较低且具有良好的重复性，适合于工业化生产。

本发明的技术方案是：

多元掺杂的高性能氧化铍陶瓷材料，其主要成分是氧化铍，还包括0.2～0.6％质量的多元掺杂剂。所述多元掺杂剂由MgO、Al₂O₃、SiO₂、CaO、ZnO和稀土氧化物组成，各组分的质量百分比含量为：MgO：5～60％，Al₂O₃：0～40％，SiO₂：20～95％，CaO：0.1～0.5％，ZnO：0～0.5％，含Y、La、Ce或Sm的单一或任意混合的稀土氧化物：0.01～0.5％。

多元掺杂的高性能氧化铍陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、采用溶胶-凝胶法制备多元掺杂剂。所述多元掺杂剂由MgO、Al₂O₃、SiO₂、CaO、ZnO和稀土氧化物组成，各组分的质量百分比含量为：MgO：5～60％，Al₂O₃：0～40％，SiO₂：20～95％，CaO：0.1～0.5％，ZnO：0～0.5％，含Y、La、Ce或Sm的单一或任意混合的稀土氧化物：0.01～0.5％。具体制备步骤如下：

步骤1.将镁化合物、铝化合物、钙化合物、锌化合物、稀土氧化物溶于浓硝酸，得到溶液A。所述镁、铝、钙或锌的化合物为含镁、铝、钙或锌且可溶于硝酸的化合物；各组分的用量应按照多元掺杂剂中相应组分及质量百分比进行折算。

步骤2.将正硅酸乙酯、稳定剂和无水乙醇按照体积比为正硅酸乙酯∶稳定剂∶无水乙醇等于10∶2∶5～10∶4∶30的比例配制成混合溶液B；其中，正硅酸乙酯的用量应按照多元掺杂剂中SiO₂的质量百分比进行折算。

步骤3.对步骤1.所得的溶液A适当加热蒸发后，然后均匀混入步骤2.所得的溶液B，反应形成溶胶C。

步骤4.烘干步骤3.制得的溶胶C，得到干凝胶D。

步骤5.预烧步骤4.制得的干凝胶D，得到多元掺杂剂的粗制粉体E。

步骤6.对步骤5.制得的多元掺杂剂的粗制粉体E进行研磨，得到多元掺杂剂的超细粉末F。