一种堇青石陶瓷及其制备方法技术

本申请提供了一种堇青石陶瓷及其制备方法，该制备方法包括(1)将至少两种粒径的堇青石粉湿法混合、造粒后，进行压制成型得到堇青石生坯；(2)对堇青石生坯进行分段预烧结，得到多孔堇青石预烧体；(3)将多孔堇青石预烧体置于含有铝、镁、稀土元素离子和水溶性粘结剂的水溶液中，真空处理；之后置于氨水溶液中，得到改性预烧体；(4)对改性预烧体进行烧结，得到堇青石陶瓷。本申请通过颗粒级配、压制成型、分段预烧结，然后采用液相前驱体浸渗工艺以离子方式在多孔堇青石陶瓷中引入调节组元(稀土氧化物、氧化镁、氧化铝)进行烧结制备得到致密度大于98％，抗弯强度>190MPa，弹性模型>130GPa，20～25℃的热膨胀系数<0.1

【技术实现步骤摘要】
一种堇青石陶瓷及其制备方法


[0001]本申请涉及堇青石陶瓷
，具体涉及一种堇青石陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]堇青石陶瓷具有优良的热学性能、较好的化学稳定性、较高的电阻率等优良特性，被广泛应用于金属熔体过滤、窑炉窑具、汽车尾气处理、水处理等领域。近年来，堇青石陶瓷应用开始向半导体领域渗透，被用来制造高端陶瓷零部件，如半导体制造装置用镜、台架及夹具等。
[0003]对于半导体领域应用的堇青石陶瓷而言，要求有二：一是要有较高的致密度，以保证产品的力学性能及加工性能；二是在工作环境(20～25℃)下热膨胀系数要尽可能接近零，以保证在使用环境中热流变化下其形变量要尽可能的小。要想获得低膨胀的堇青石陶瓷，就要通过堇青石陶瓷的成分组成、微观结构进行调整，一般是通过添加烧结组元来实现这一目的。同时引入的组元在烧结过程中或生成新物相、或生成低熔点相，或发生固溶反应，这在一定程度上会拓宽堇青石的烧结窗口，使堇青石更有利于实现致密化烧结。
[0004]在诸多研究(李萍,耐火材料,2002)及专利技术专利CN 112739662A中均采用传统机械混合方式将烧结助剂(如：TiO2、B2O3)与原料粉体进行混合烧结而得到堇青石陶瓷；但是传统机械混合难以实现烧结组元与堇青石粉料的均匀分布，特别是引入量比较少的情况下。要想实现组元的相对均匀分布，那么就需要在机械混合过程中加入更多的烧结组元，而过多烧结组元的引入由于分散不均在堇青石陶瓷中发生偏聚，使得其结构与性能离散性较大，使得制备产品力学及热膨胀性能不稳定，最终难以达到预期目标。
[0005]研究表明(赵彦钊，陕西科技大学学报，2018)，在相同原料配比的情况下，采用熔融法制备得到的堇青石陶瓷热膨胀系数小于采用机械混合后成型烧结得到的堇青石陶瓷的热膨胀系数，这主要是由于熔融法可以提高各组分之间的混合均匀程度。但是熔融法对设备要求高，工艺复杂，制备成本高，不利于快速的工业化批量生产。
[0006]因此，如何采用简单易操作的制备工艺将少量的组元均匀引入到堇青石陶瓷中进而对其结构及相关性能进行有效调控是需要急切解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对上述存在的问题，本申请提出了一种堇青石陶瓷及其制备方法；其通过颗粒级配、压制成型、分段预烧结，然后采用液相前驱体浸渗工艺以离子方式在多孔堇青石陶瓷中引入调节组元(稀土氧化物、氧化镁、氧化铝)进行烧结制备得到致密度大于98％，抗弯强度>190MPa，弹性模型>130GPa，20～25℃的热膨胀系数<0.1
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‑6/℃的堇青石陶瓷，克服了
技术介绍
中提到的不足和缺陷。
[0008]为实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：
[0009]本申请的专利技术点是提供一种堇青石陶瓷的制备方法。
[0010]可选地，所述制备方法包括：(1)将至少两种粒径的堇青石粉湿法混合、造粒后，进
行压制成型得到堇青石生坯；(2)对堇青石生坯进行分段预烧结，得到堇青石预烧体；(3)将堇青石预烧体置于含有铝、镁、稀土元素离子和粘结剂的水溶液中，真空处理；之后置于氨水溶液中，得到改性预烧体；(4)对改性预烧体进行烧结，得到堇青石陶瓷。
[0011]可选地，步骤(1)中，所述堇青石粉的粒径为0.5～4μm；压制成型包括干压预成型和分步冷等静压成型。
[0012]可选地，干压成型的条件为：压力为30～50MPa，时间为2～6min。
[0013]可选地，分步冷等静压成型的条件为：在60～100MPa保压1～4min，之后在180～200MPa保压2～6min；升压速率和降压速率均为10～20MPa/min。
[0014]可选地，第一种堇青石粉的粒径为0.5～1.5μm；第二种堇青石粉的粒径为1.5～4μm。
[0015]可选地，第一种堇青石粉和第二种堇青石粉的质量比为1：(1～4)。
[0016]可选地，所述分段预烧结包括第一阶段和第二阶段；第一阶段为：温度500～650℃，时间2～4h；第二阶段为：温度800～1100℃，时间4～6h。
[0017]可选地，以0.5～2℃/min的升温速率升温至第一阶段；以2～5℃/min的升温速率升温至第二阶段。
[0018]可选地，步骤(2)中，预烧结是为实现坯体内颗粒间的颈部烧结，堇青石预烧体内部形成贯通多孔结构；开口气孔率为25～35％。
[0019]可选地，铝、镁和稀土元素存在形式包括硝酸盐、硝酸盐水合物、卤盐、卤盐化合物中的至少一种；稀土元素包括La、Y、Ce、Sm、Er、Dy中的至少一种。
[0020]可选地，铝离子在溶液中的浓度为：0.335～2.209mol/L；镁离子在溶液中的浓度为：0.167～1.141mol/L；稀土元素离子在溶液中的浓度为：0.025～0.691mol/L，水溶性粘结剂在溶液中浓度为0.2～0.8wt％。
[0021]可选地，真空处理的条件为：真空度为800～1200Pa；时间为10～30min。
[0022]可选地，烧结温度为1350～1420℃；烧结时间为2～6h；升温速率为0.5～5℃/min。
[0023]本申请的另一个专利技术点是，提供一种堇青石陶瓷，由如上任一所述的制备方法制备得到。
[0024]可选地，包括Al2O3、MgO、稀土元素氧化物和堇青石多孔结构；其中，Al2O3、MgO、稀土元素氧化物以前驱体阳离子方式均匀引入到堇青石多孔结构中。
[0025]可选地，Al2O3与MgO的质量和与堇青石多孔结构的质量比为(0.5～2):100；Al2O3与MgO的质量比为(2.4～2.6):1；稀土元素氧化物与堇青石多孔结构的质量之比为(0.3～1):100。
[0026][0027]与现有技术相对比，本申请具有以下优点(物质和方法的优点分开描述)：
[0028](1)本申请通过不同粒径堇青石混合之后压制成型、分段预烧结，得到多孔堇青石主体结构；然后采用液相前驱体浸渗工艺在多孔堇青石陶瓷中以离子方式引入调节组元(稀土氧化物、氧化镁、氧化铝)，经沉淀原位沉淀后，进行烧结制备得到堇青石陶瓷；在堇青石主体结构获得之后，再通过浸渗工艺引入调节组元，可以均匀的将稀土氧化物、氧化镁、氧化铝引入到堇青石陶瓷结构中，采用该方式引入的助剂烧结活性高，有利于实现堇青石陶瓷的致密化烧结，同时烧结后的得到结构相对均匀的堇青石陶瓷，避免传统球磨工艺引
起的原料分散不均引起的偏聚，实现从组分分布均匀性上对堇青石陶瓷结构进行调整，进而达到对其热膨胀性能进行有效调控的目的。
[0029](2)本申请制备得到的堇青石陶瓷结构致密，其致密度大于98％，抗弯强度>190MPa，弹性模型>130GPa，20～25℃的热膨胀系数绝对值<0.1
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‑6/℃。
附图说明
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种堇青石陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：(1)将至少两种粒径的堇青石粉湿法混合、造粒后，进行压制成型得到堇青石生坯；(2)对堇青石生坯进行分段预烧结，得到多孔堇青石预烧体；(3)将多孔堇青石预烧体置于含有铝、镁、稀土元素离子和水溶性粘结剂的水溶液中，真空处理；之后置于氨水溶液中，得到改性预烧体；(4)对改性预烧体进行烧结，得到堇青石陶瓷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述堇青石粉的粒径为0.5～4μm；压制成型包括干压预成型和分步冷等静压成型。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第一种堇青石粉的粒径为0.5～1.5μm；第二种堇青石粉的粒径为1.5～4μm；第一种堇青石粉和第二种堇青石粉的质量比为1：(1～4)。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，干压成型的条件为：压力为30～50MPa，时间为2～6min；分步冷等静压成型的条件为：在60～100MPa保压1～4min，之后在180～200MPa保压2～6min；升压速率和降压速率均为10～20MPa/min；所述分段预烧结包括第一阶段和第二阶段；第一阶段为：温度500～650℃，时间2～4h；第二阶段为：温度800～1100℃，时间4～6h；以0.5～2℃/min的升温速率升温至第一阶段；以2～5℃/min的升温速率升温至第二阶段。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预烧结是为实...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，贺智勇，王晓波，千粉玲，
申请(专利权)人：北京钢研新冶工程技术中心有限公司，
类型：发明
国别省市：