摘 要

氧化铝陶瓷具有高机械强度、耐磨性能高、耐腐蚀、耐高温、传导性良好、热膨胀率低、绝缘性好等很多优异性能，广泛应用于电子、医疗、工业等各种领域，其中氧化铝陶瓷基片在电子领域的需求越来越高。氧化铝陶瓷基片多采用流延法制备，具有生产效率高、所生产膜带表面光洁度好、性能稳定等特点，是现代陶瓷基片先进生产方式的代表。

氧化铝陶瓷基片的制备过程主要包括制备浆料、球磨混合、成型、干燥、排胶和烧结等，其中陶瓷膜带排胶制度的合理性对后期烧结成品率有极其重要的影响。因此，本论文以不同配方的陶瓷膜为研究对象，通过差热分析来研究其热分解过程，以此为依据制定不同的排胶制度，比较热处理后膜带的残碳量和烧结后样品的开裂情况，确定最合适的排胶制度。

对比分析PVB种类与用量、塑化剂种类不同对陶瓷膜带热分解过程的影响，研究排胶温度制度对膜带残碳量和烧结性能的影响，研究结果表明：1.不同组成的陶瓷膜带均具有相似的热分解过程：（1）200~240℃为支链分解，对应的失重量大且速度最快，（2）280~320℃为C-C主键断裂，失重相对缓慢，（3）400-450℃为高温区的氧化分解。2.BM-1型PVB和DOP均可提高膜带的拉伸强度，但其膜带的断链分解温度升高，其热分解难度增大。3.制定了低温排胶制度，热处理温度不同时膜带的残碳量存在明显差异，并直接影响烧结样品的开裂和烧结性能。4.确定了陶瓷膜带的最佳烧结温度为1550℃。

关键词：氧化铝陶瓷；流延成型；差热分析；排胶温度；烧结温度；收缩率

Abstract

Alumina ceramics have many excellent properties such as high mechanical strength, high wear resistance, corrosion resistance, high temperature resistance, good conductivity, low thermal expansion rate and good insulation. They are widely used in various fields such as electronics, medical, industrial, etc. The demand for aluminum ceramic substrates in the field of electronics is increasing. The alumina ceramic substrate is mostly prepared by the casting method, and has the characteristics of high production efficiency, good surface smoothness of the produced film strip and stable performance, and is representative of the advanced production mode of modern ceramic substrates.

The preparation process of alumina ceramic substrate mainly includes preparation of slurry, ball milling mixing, molding, drying, debinding and sintering, etc. The rationality of the ceramic film stripping system has an extremely important influence on the post-sintering yield. Therefore, this thesis takes ceramic membranes with different formulations as the research object, and studies the thermal decomposition process by differential thermal analysis. Based on this, different debinding systems are developed to compare the residual carbon content of the membrane strip after heat treatment and the sample after sintering. Cracking conditions to determine the most appropriate debinding system.

The effects of different types and amounts of PVB and different types of plasticizers on the thermal decomposition process of ceramic membranes were compared. The effects of the debinding temperature regime on the residual carbon content and sintering properties of the membranes were studied. The results show that: 1. Ceramic membranes with different compositions The belts all have similar thermal decomposition processes: (1) 200~240℃ is the branch decomposition, the corresponding weight loss is large and the fastest, (2) 280~320℃ is the C-C primary bond fracture, and the weight loss is relatively slow, (3) 400-450℃ is the oxidative decomposition of the high temperature zone. 2. BM-1 type PVB and DOP can increase the tensile strength of the film strip, but the temperature of the broken chain decomposition of the film strip increases, and the thermal decomposition difficulty increases. 3. The low-temperature debinding system is formulated. When the heat treatment temperature is different, there is a significant difference in the residual carbon content of the film strip, which directly affects the cracking and sintering properties of the sintered sample. 4. Determine the optimum sintering temperature of the ceramic film tape is 1550℃.

Key words:Alumina ceramics; tape casting; differential thermal analysis; discharge temperature; sintering temperature; shrinkage.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1 氧化铝陶瓷分类 1

1.1.2 氧化铝陶瓷的应用 1

1.1.3 氧化铝陶瓷应用需求 2

1.2 氧化铝陶瓷的制成方法 2

1.2.1 氧化铝陶瓷的成型方法 3

1.2.2 氧化铝陶瓷的流延成型工艺 4

1.2.3 氧化铝陶瓷的排胶与烧结 5

1.3 本课题研究的目的和内容 7

1.3.1 本课题研究的目的和意义 7

1.3.2 本课题研究的内容 8

第2章 氧化铝陶瓷的制备方法与性能表征 8

2.1 实验原料 8

2.1.1 实验原料一览表 8

2.1.2 氧化铝粉料的SEM照片 9

2.2 氧化铝陶瓷膜带的制备 10

2.2.1 流延用浆料的制备 10

2.2.2 浆料的流延成型 11

2.3 测试方法与性能表征 11

2.3.1 氧化铝陶瓷膜带的表征 12

2.3.2 使用BM-2和DBP为原料的陶瓷膜带的SEM照片 12

第3章 氧化铝陶瓷的热分解过程与烧结性能研究 13

3.1 代表性膜带的TG-DSC分析 13

3.1.1 代表性膜带的TG-DSC曲线 13

3.1.2 PVB种类的分析对比 14

3.1.3 PVB用量的对比分析 16

3.1.4 塑化剂种类的对比分析 16

3.1.5 添加剂对排胶工艺的影响 18

3.2 排胶制度的设计与残碳量分析 18

3.3 陶瓷样品的性能分析 19

3.3.1 膜带样品的烧结性能 19

3.2.2 陶瓷样品的结构与性能 20

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 22

附录1 23

附录2 24

第1章 绪论

1.1 概述

在人类史上所有材料中，陶瓷可以说拥有着最悠久的历史与最广泛的应用范围，古代的陶瓷可以用作保存食物的容器和装饰用的家具，而在近现代，陶瓷材料不仅能用于日常生活方面，在工业、电子、医疗等各种领域也少不了它的活跃。在所有陶瓷中，氧化铝陶瓷又以其低廉的成本、各种优异的性能，成功成为了应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。

1.1.1 氧化铝陶瓷分类

氧化铝陶瓷是以氧化铝（Al₂O₃）为主体的陶瓷材料，通常氧化铝陶瓷有两种分类方式，一种是按照氧化铝的含量分类，可以分为：99瓷、95瓷、85瓷、75瓷等，这些数字即代表了氧化铝在陶瓷中的百分比含量，比如99瓷就是氧化铝含量为99%的氧化铝陶瓷；另一种分类方法的主要依据是材料中主晶相的种类，依据主晶相的不同，氧化铝陶瓷可以分为：刚玉瓷、刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷。高铝瓷一般是指氧化铝含量在75%以上的陶瓷材料，这种陶瓷材料的主晶相为α-Al₂O₃，高铝瓷材料不论在高频或低频下均有良好的力学、电气性能，它的绝缘电阻高、机械强度和硬度都很高，而且介质损耗角的正切值也较低，同时耐热性能、耐磨性能和耐化学腐蚀性能都很好。高铝瓷很好的满足了大功率厚膜电路基片对材料的各项性能要求，同时高铝瓷也可以用于制作陶瓷-金属封接材料，很多绝缘器件对材料的力学、电学、热学性能的要求，高铝瓷也都能达标。

高铝瓷材料配方组成中除了工业Al₂O₃外，还掺入了其他次要成分，如SiO₂（经常是石英或纯净的石英砂）和一些熔剂物质。由于有了次要成分，使瓷显微结构组织复杂化，一般除了主晶相的α-Al₂O₃之外，还会有莫来石晶体或者硅酸盐玻璃体。随着瓷组织中Al₂O₃含量的变化，瓷材料性能也随之变化。基本上，配方中Al₂O₃的含量越高，最后得到的成品陶瓷的机械强度也越高。

1.1.2 氧化铝陶瓷的应用

氧化铝陶瓷本身具有各项优秀的性能，这些性能在物理、化学等各方面都有所体现，如机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性良好等，且其原料资源量大、市场价格低廉、制作工艺成熟且相对简单，故氧化铝陶瓷被广泛应用于机械加工、电子电力、化工、建筑、医学、航空航天等各种领域^[1]。