[发明专利]制造化学稳定的方英石的方法

说明书

本发明涉及一种用于制造化学稳定的方英石组合物的方法，所说的这种组合物是一种类方英石的硅酸盐，它在加热时不会发生α相变β相的急剧转变。

已经发现，自然界中的晶体二氧化硅有三种不同的结构，即，石英、鳞石英和方英石，通过X射线衍射分析发现，每一种晶体结构都具有在不同温度范围内稳定的多晶形式。在每一种这样的二氧化硅的晶体形式中，一个硅原子连结到按四面体配位的四个氧原子上。每一种形式各自代表一种由硅-氧四面体组成三维晶体网络的不同排列方式。通常结晶温度决定结构形成。石英是在低于约867℃的温度下通过二氧化硅的结晶作用形成的;鳞石英是在结晶温度约为867℃～1470℃下形成的;方英石是在温度高于约1470℃时形成的。方英石以两种多晶形式存在，即低方英石（α-方英石）和高方英石（β-方英石）。高方英石在温度高于1470℃下是晶体二氧化硅的稳定形式，但当将其冷却至约200～275℃的温度范围时，通常它就转化为低方英石。

对于低介电常数的应用，石英是一种最常用的填充物，这是因为石英具有高的热膨胀系数（TCE），石英具有理想的低介电常数（约为4），而在25-300℃的温度范围内，它具有高的TCE（约为10-12ppm/℃），并具有优良的化学耐久性。然而，石英在573℃处发生一个由α相向β相的相变过程，并伴随发生较大的体积变化。众所周知，由于热循环通过相变造成的这种体积突变，可在多层体系内引起机械不稳定性（破裂、裂纹等）的发展。用于低K值电介质的许多玻璃均不能很好地润湿石英。因此，石英的烧结性能沉淀限制它在填充玻璃组合物中的加入量。一种具有改进玻璃润湿性能的填充物可允许加入较大量的低K值填充物，借此降低组合物的介电常数并提高其气密性。

为了能用于低K值的多层复合物，一种材料应具有平衡的热膨胀特性（即在温度升到至少1000℃的过程中，它不应发生任何的相变），并且在25～300℃的温度范围内，它的热膨胀系数应约为8～12ppm/℃。另外，它的介电常数应尽可能低，最好低于5，并且其介电损耗应低于0.3%tan  2。再有，填充物粉末在与各种玻璃结合时应具有良好的润湿性能，以便在填充物含量至少为20～60%（体积）时能形成致密的复合体，具体地说，填充物的润湿性能应允许填充物的加入量大于使用石英时所允许的加入量。

多年以来已经认识到，一种主要晶相为稳定高（β）方英石的玻璃-陶瓷可通过使含有诸如Na₂O，CaO和Al₂O₃等其他成分的高硅玻璃结晶的方法来制得。这种制造高稳定玻璃-陶瓷的方法已由MacDowell（US.3，445，252）公开，他所公开的玻璃组合物含有55-90%（重量）的SiO₂，5-40%（重量）的Al₂O₃，以及1-5%（重量）的CaO，CuO或SrO，该组合物可以结晶成一种以高方英石作为主要晶相的玻璃-陶瓷。Li（US.4，073，655）要求保护一种具有提高了晶相纯度的高方英石玻璃-陶瓷制品，这种制品是通过把玻璃组合物限定为含有等摩尔比的CaO（其中最高可达70%（摩尔）的CaO可由其他氧化物取代）和Al₂O₃而制得。

Kadnk公开了一种用含二氧化硅和氧化硼源的高pH溶液来制备稳定高方英石的方法，该方法是在有甘油存在的热液条件下进行反应。这类方法通常形成低方英石。最近，Perrota等（US.4，818，729）公开了另一种制备稳定高方英石的湿法化学工艺，该工艺采用的原料为含有下述成份的干凝胶，所述成份包括：二氧化硅、Al₂O₃和除了Li₂O，BeO，和MgO以外的任何一种碱金属或碱土金属的氧化物。他们要求保护的是Al₂O₃对碱金属或碱土金属氧化物的摩尔比必须接近于等摩尔比，即介于0.95～1.1之间，否则高方英石相不稳定。他们规定，二氧化硅对氧化铝的摩尔比可在10～40之间变化，以形成稳定的材料。他们的方法要求在800～1400℃下煅烧很长时间（通常超过24小时）以形成高（稳定的）方英石，这样所生成的材料实际上被诸如钙长石等其他晶相所污染。

本发明主要涉及一种制备化学稳定的方英石的方法，该方法包含下列的顺序步骤：