玻璃粉球磨工藝對(duì)電子漿料性能的影響

(西安宏星電子漿料科技有限責(zé)任公司,陜西西安710065)

玻璃粉在電子漿料中主要起粘接作用,同時(shí)玻璃粉熔融后也起保護(hù)導(dǎo)電相的作用,免除導(dǎo)電相受酸、堿、大氣、水等的侵蝕,是電子漿料中最關(guān)鍵的材料之一。

玻璃粉在電子漿料中除了含量外,玻璃粉的粒度、形狀、表面性質(zhì)等也都對(duì)漿料的性能有很大影響。為了形成致密的燒結(jié)膜,原則上玻璃粉應(yīng)為球狀,粒度均勻,分散性好,并具有合適的燒結(jié)溫度特性[1]。一般來(lái)說(shuō),玻璃粉粒徑變小,范圍變窄,整體活性提高[2],燒結(jié)的推動(dòng)力增大,電子漿料組分之間的相互反應(yīng)越充分,導(dǎo)致致密化溫度提前[3],有利于電子漿料的使用性能和燒結(jié)膜層質(zhì)量改善和提高。但玻璃粉過(guò)細(xì)時(shí),電子漿料燒結(jié)時(shí)粘稠度顯著增加,流動(dòng)性降低,易引起燒結(jié)膜層出現(xiàn)氣泡、 “面釉”等質(zhì)量缺陷。若玻璃粉的粒度分布較寬,玻璃粉燒結(jié)時(shí)由于燒結(jié)過(guò)程的推動(dòng)力不一致,較小的顆粒已粘合,而相對(duì)較大的顆粒間的部分氣孔尚未排除,從而難以獲得高致密度的電子漿料燒結(jié)膜[4]。Boccaccini等對(duì)硼硅酸鹽系玻璃粉末的燒結(jié)研究表明,粉末顆粒的大小及分布會(huì)影響制品的燒成收縮。因此,能否制備出粒度大小合適及分布集中的玻璃粉將直接影響到電子漿料各項(xiàng)性能的好壞。一般情況下,電子漿料用玻璃粉球磨后的粒度分布應(yīng)集中,其中d(0.1)=0.5～0.75 μm,d(0.5)=1.0 ～ 1.8 μm,d(0.9)=2.5 ～ 4.0 μm,d(1.0)＜10 μm。

鑒于電子漿料用玻璃粉的生產(chǎn)具有種類多、批量少、批次多、產(chǎn)值小等特點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)對(duì)電子漿料行業(yè)用玻璃粉球磨工藝的研究較少,且普遍都存在玻璃粉粒度分布較寬的問(wèn)題,本文通過(guò)優(yōu)化球磨方式和球磨工藝參數(shù),可制備出粒徑大小合適、粒度分布集中的電子漿料用玻璃粉,并對(duì)所制備玻璃粉在電子漿料中的部分性能進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及分析儀器

轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī) (實(shí)驗(yàn)室用小型設(shè)備);攪拌球磨機(jī)(實(shí)驗(yàn)室用小型設(shè)備);行星球磨機(jī) (實(shí)驗(yàn)室用小型設(shè)備);濕法激光粒度儀(MASTERSIZER 2000型)。

1.2 原理

常用的粉料機(jī)械粉碎方法有以下幾種:①轉(zhuǎn)動(dòng)球磨粉碎;②攪拌磨粉碎;③振動(dòng)磨粉碎;④行星球磨粉碎;⑤氣流磨粉碎。

目前國(guó)內(nèi)制備電子漿料用玻璃粉最常用的球磨設(shè)備則有三種,即轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)、攪拌球磨機(jī)和行星球磨機(jī)。圖1為三種球磨設(shè)備中物料和球磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖1 三種球磨設(shè)備中物料和球磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 The motion diagram of material and ball mill medium in three kinds of ball milling equipment

影響球磨機(jī)球磨粉碎效果的因素有三個(gè)方面:①球磨機(jī)器的大小與轉(zhuǎn)速;②加入研磨體的量 (相對(duì)體積)、組成 (密度)、大小 (如果是球體,指球的半徑)、形狀 (球形、圓棒形、其他形狀)等;③加入物料的量、物料的組成、比重以及稠稀、粘度等。

此試驗(yàn)使用這三種球磨設(shè)備,通過(guò)優(yōu)化球磨方式和球磨工藝參數(shù),可制備出粒徑大小合適、粒度分布集中的電子漿料用玻璃粉。

1.3 樣品制備

試驗(yàn)樣品均先進(jìn)行預(yù)粉碎,使進(jìn)料粒度在100～150目;所有球磨工藝中每次試驗(yàn)的球磨量均以不超過(guò)筒體總體積的70%為準(zhǔn)。其中轉(zhuǎn)動(dòng)球磨使用大中小不同規(guī)格的氧化鋯球作為球磨介質(zhì),調(diào)整球磨工藝參數(shù)制出粉樣;攪拌球磨使用單一規(guī)格氧化鋯球作為球磨介質(zhì),制出粉樣;行星球磨使用大中小不同規(guī)格的氧化鋯球作為球磨介質(zhì),制出粉樣。由于各磨機(jī)球磨粉碎效果不同,通過(guò)前期試驗(yàn)得出各磨機(jī)最優(yōu)的磨球介質(zhì)配比以及粉碎到所需合適粒度所用的時(shí)間,以此來(lái)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行加工處理。

制備得到的玻璃粉,用MASTERSIZER 2000型濕法激光粒度儀測(cè)試其粒度大小和粒度分布,并按一定的配方制成不同類型的電子漿料,測(cè)試其相關(guān)性能。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中先后進(jìn)行了球磨方式選擇、轉(zhuǎn)動(dòng)速度選擇、料水比選擇、球磨時(shí)間選擇等各工序條件試驗(yàn),并應(yīng)用在電子漿料中進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試,并最終確定了最優(yōu)的球磨工藝。

2.1 球磨方式的選擇

根據(jù)前期試驗(yàn)摸索出的各磨機(jī)相對(duì)球磨效果較好的磨球配比、轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間、料水比等球磨工藝參數(shù),在轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)、攪拌球磨機(jī)、行星球磨機(jī)中各加入300 g已提前過(guò)150目篩網(wǎng)的物料,補(bǔ)充去離子水,球磨到接近相同的粒度范圍后取濕料樣品進(jìn)行測(cè)試,各磨機(jī)球磨物料的粒度分布及對(duì)比情況如表1和圖2。

表1 三種球磨方式加工物料的粒度分布Tab.1 Particle size distribution of materials processed by three ball milling methods

圖2 不同球磨機(jī)球磨物料的粒度分布對(duì)比圖Fig.2 Comparison of particle size distribution of materials processed by different ball milling ways

由表1和圖2可知,使用轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)球磨物料的粒度分布相對(duì)集中,行星球磨機(jī)球磨物料的粒度分布次之,攪拌球磨機(jī)球磨物料的粒度分布較差,這與其僅使用單一規(guī)格的磨球介質(zhì)有關(guān)。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)速度的選擇

在轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)中,磨球和物料在圓筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的形式與研磨效果是有密切關(guān)系的。當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),研磨體在筒體中的運(yùn)動(dòng)形式是比較復(fù)雜的,有 “貼附”在筒壁隨之向上運(yùn)動(dòng),有與筒壁及自身之間的相對(duì)滑動(dòng),有以一定速度拋出類似拋射體的運(yùn)動(dòng)及繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。研磨體在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為三種基本形式:離心式、奔流式、傾流式。其中傾流式為在合適的轉(zhuǎn)速下,研磨體隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)上升一定高度后拋落的情況,此時(shí)物料受到研磨體的沖擊和研磨作用而粉碎,研磨效果最好。

在轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)中各加入300 g已過(guò)150目篩網(wǎng)的物料,補(bǔ)充去離子水,按照70,80,90 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,球磨25 h后取濕料樣品進(jìn)行測(cè)試,在球磨過(guò)程中通過(guò)觀察可知,轉(zhuǎn)速在70 r/min時(shí)研磨體的運(yùn)動(dòng)形式呈類似傾流式,在80 r/min時(shí)呈類似奔流式,在90 r/min時(shí)呈類似離心式。各種轉(zhuǎn)動(dòng)速度下物料的粒度分布及對(duì)比情況如表2和圖3。

表2 不同球磨轉(zhuǎn)速下物料的粒度分布Tab.2 Particle size distribution of materials processed by different ball milling speeds

圖3 三種轉(zhuǎn)動(dòng)速度下球磨物料的粒度分布對(duì)比圖Fig.3 Comparison of particle size distribution of materials processed by three ball milling speeds

由表2和圖3可知,在轉(zhuǎn)動(dòng)速度在70 r/min時(shí),球磨物料的粒度合適,粒度分布也集中;轉(zhuǎn)動(dòng)速度在80 r/min時(shí),球磨物料的粒度也相對(duì)較粗,50%體積的物料粒度都在1.5 μm以上,但粒度分布較寬;轉(zhuǎn)動(dòng)速度在90 r/min時(shí),球磨物料的粒度也相對(duì)較大,粒度分布也較寬。

2.3 料水比的選擇

球磨時(shí),當(dāng)加入一定量的物料后,加水多則料稀,加水少則料稠。在磨球大小一定的情況下,物料粘度高的,磨球與磨球間的撞擊力與剪切力都會(huì)大一些,但存在部分物料不能被研磨到的情況,粒度分布不均勻,研磨效率相對(duì)較低;反之,物料粘度低的,其間的撞擊力和剪切力就會(huì)小一些,研磨效率也相對(duì)較低,同時(shí)易使磨球之間的直接接觸機(jī)會(huì)增大,球磨時(shí)磨球的損耗大,帶入物料中的雜質(zhì)較多。

在轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)中分別按0.5∶1,1∶1,1.5∶1的料水比加入已過(guò)150目篩網(wǎng)的物料,按照70 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,球磨25 h后取濕料樣品進(jìn)行測(cè)試,各種料水比下物料的粒度分布及對(duì)比情況如表3和圖4。

表3 不同料水比下物料的粒度分布Tab.3 Particle size distribution of materials processed by different mass ratios of material to water

由表3和圖4可知,料水比在0.5∶1時(shí),球磨后物料的粒度略粗,50%體積的物料粒度都在1.5 μm以上,粒度分布相對(duì)較寬;料水比在1.5∶1時(shí),球磨后物料的粒度分布最寬;料水比在1∶1時(shí),球磨后物料的粒度合適,粒度分布也最窄。

圖4 不同料水比下球磨物料的粒度分布對(duì)比圖Fig.4 Comparison of particle size distribution of materials processed by different mass ratios of material to water

2.4 球磨時(shí)間的選擇

球磨時(shí)間是影響球磨產(chǎn)品性能的重要參數(shù)。將粗大顆粒物料磨至10 μm是比較容易的,所需時(shí)間也比較短,但將10 μm的物料球磨至亞微米甚至納米級(jí)超細(xì)粉體,球磨時(shí)間則要延長(zhǎng)幾倍甚至更長(zhǎng)。但隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng),可能會(huì)導(dǎo)致物料活性損失較快[2],球磨效率逐漸下降,且磨球的損耗增大。

在轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī)中按1∶1的料水比加入已過(guò)150目篩網(wǎng)的物料,按照70 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,分別球磨10,15,25,35,60 h后取濕料樣品進(jìn)行測(cè)試,各種球磨時(shí)間內(nèi)物料的粒度和粒度分布對(duì)比情況如表4和圖5。

表4 不同球磨時(shí)間下物料的粒度分布Tab.4 Particle size distribution of materials processed by different ball milling time

圖5 不同球磨時(shí)間下球磨物料的粒度分布對(duì)比圖Fig.5 Comparison of particle size distribution of materials processed by different ball milling time

由表4和圖5可知,球磨10 h以后,物料粒度均已在10 μm以下;球磨時(shí)間在10 h和15 h時(shí),粒度仍較粗,50%體積的物料粒度都在1.5 μm以上,粒度分布相對(duì)較寬;球磨時(shí)間在35 h和60 h時(shí),粒度則偏細(xì),特別是60 h后50%體積的物料粒度都在0.8 μm以下,雖粒度分布較為集中,但由于球磨時(shí)間較長(zhǎng),磨球的損耗增大,物料必定受到的污染較大,同時(shí)粒度偏細(xì),在電子漿料中應(yīng)用也易引起氣泡等其他質(zhì)量缺陷;球磨時(shí)間在25h時(shí),物料粒度合適,粒度分布也集中。

2.5 在電子漿料中的性能測(cè)試

按確定的最優(yōu)球磨方式和球磨工藝參數(shù)制備出相應(yīng)的玻璃粉,具體的粒度及測(cè)試圖見(jiàn)表5和圖6。并按一定的配方分別制成導(dǎo)體漿料和電阻漿料進(jìn)行性能檢測(cè),經(jīng)測(cè)試其在導(dǎo)體漿料和電阻漿料中使用各項(xiàng)性能均合格,部分性能得到顯著提高。

表5 最優(yōu)球磨工藝下玻璃粉的粒度分布Tab.5 Particle size distribution of glass powder processed by optimal ball milling process

圖6 最優(yōu)球磨工藝下玻璃粉的粒度分布圖Fig.6 Particle size distribution of glass powder processed by optimal ball milling process

使用該工藝制備的玻璃粉在某型導(dǎo)體漿料中使用,其燒結(jié)膜致密性較之前有較大提高,導(dǎo)體漿料的耐酸性相應(yīng)也得以提高,具體情況可見(jiàn)表6、表7和圖7。

表6 導(dǎo)體漿料用玻璃粉工藝改進(jìn)前后的粒度分布Tab.6 Particle size distribution of glass powder used for conductor paste before and after improvement

表7 工藝改進(jìn)前后導(dǎo)體漿料耐酸性的測(cè)試結(jié)果Tab.7 Test results of acid resistance of conductor paste before and after process improvement

圖7 球磨工藝改進(jìn)前后玻璃粉的導(dǎo)體燒結(jié)膜對(duì)比圖Fig.7 Sintered films of glass powder for conductor paste before and after ball milling process improvement

使用該工藝制備的玻璃粉在某型電阻漿料中使用,其燒結(jié)膜致密性較之前有較大提高,孔洞現(xiàn)象基本消失,電阻漿料的電性能得到極大提高,特別適合高端電子漿料客戶的需要[5],具體結(jié)果見(jiàn)表8、表9和圖8。

表8 電阻漿料用玻璃粉球磨工藝改進(jìn)前后的粒度分布Tab.8 Particle size distribution of glass powder used for resitance paste before and after ball milling process improvement

表9 工藝改進(jìn)前后電阻漿料電性能的測(cè)試結(jié)果Tab.9 Test results of electrical properties of resistance paste before and after ball milling process improvement

圖8 使用球磨工藝改進(jìn)前后玻璃粉的電阻體斷面對(duì)比圖Fig.8 The resistor body section of the glass powder comparison chart before and after process improvement

3 結(jié)論

采用轉(zhuǎn)動(dòng)球磨機(jī),按1∶1的料水比加入已過(guò)150目篩網(wǎng)的物料,按照70 r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,球磨25 h后即可制備出粒度大小合適、粒度分布集中的超細(xì)玻璃粉末。按此工藝球磨制備的玻璃粉末,分別在部分導(dǎo)體漿料和電阻漿料中使用,其導(dǎo)體漿料的耐酸性和電阻漿料的電性能如ESD、Stol和噪聲系數(shù)等得到極大提高,此球磨工藝可作為中高端電子漿料用玻璃粉的加工制備方法。