莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板制備及熱導(dǎo)率/介電常數(shù)

潘宏偉

摘 要：莫來石-氧化鋁涂層可以顯著提高氧化鋁陶瓷基板的表面硬度和耐磨性，從而更好地保護(hù)基板表面。此外，該涂層還可以改善氧化鋁陶瓷基板的耐高溫性能，提高其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用場景。本次研究中，相關(guān)工作人員詳細(xì)探究莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板的制備方式，并利用測試確定其熱導(dǎo)率以及介電常數(shù)，通過這種方式，以期為增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板的物理、機(jī)械以及化學(xué)性能提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：氧化鋁；莫來石-氧化鋁涂層；介電常數(shù)

1 前言

莫來石作為一種新型無機(jī)材料，其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和介電常數(shù)等特點(diǎn)，可被用于氧化鋁陶瓷基板表面涂層的制備。而氧化鋁是一種常見的絕緣材料，其介電常數(shù)高，但是熱導(dǎo)率相對較低。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過涂層的方式在氧化鋁陶瓷基板表面引入高熱導(dǎo)率和適當(dāng)介電常數(shù)的材料，可以提高氧化鋁陶瓷基板整體性能。熱導(dǎo)率和介電常數(shù)是衡量材料性能的重要指標(biāo)。熱導(dǎo)率的大小與物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動和排列密切相關(guān)，而介電常數(shù)則控制了物質(zhì)對電場的響應(yīng)。通過對莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板制備及其熱導(dǎo)率和介電常數(shù)進(jìn)行分析，可以更好地了解該涂層在氧化鋁陶瓷基板表面上所起到的影響作用，幫助優(yōu)化氧化鋁陶瓷基板的性能，并推動其未來在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

2預(yù)應(yīng)力陶瓷基板制備流程

預(yù)應(yīng)力陶瓷基板是一種具有高強(qiáng)度和高韌性的材料，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如航天、電子、醫(yī)療等[1]。為了進(jìn)一步提高預(yù)應(yīng)力陶瓷基板的性能，研究人員開始探索采用莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板的方法。

2.1制備氧化鋁陶瓷基板

氧化鋁陶瓷基板是預(yù)應(yīng)力陶瓷基板的主要組成部分，其制備過程包括以下幾個基本步驟：

2.1.1材料準(zhǔn)備

首先需要準(zhǔn)備氧化鋁粉末、黏結(jié)劑和溶劑。通常使用的黏結(jié)劑是聚乙烯醇（PVA），而溶劑則是水。

2.1.2攪拌混合

將氧化鋁粉末、PVA和水按一定比例混合，并進(jìn)行攪拌。在攪拌過程中，應(yīng)控制好攪拌時間和速度，以確?；旌暇鶆颉?/p>

2.1.3粘結(jié)成型

將混合后的材料放入模具中，進(jìn)行壓制成型。在壓制過程中，需要施加一定的壓力和溫度，并控制好保壓時間。

2.1.4燒結(jié)處理

將成型后的氧化鋁陶瓷基板放入爐中進(jìn)行燒結(jié)處理。在燒結(jié)過程中，需要控制好溫度和時間，以確保產(chǎn)生足夠的結(jié)晶和致密度。

2.2 涂層制備

莫來石-氧化鋁涂層是增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板性能的關(guān)鍵步驟，其制備過程包括以下幾個基本步驟：

2.2.1材料準(zhǔn)備

首先需要準(zhǔn)備莫來石粉末、氧化鋁粉末、溶劑和表面活性劑。通常使用的溶劑是甲苯或丙酮，而表面活性劑則是十二烷基硫酸鈉（SDS）。

2.2.2攪拌混合

將莫來石粉末、氧化鋁粉末、溶劑和表面活性劑按一定比例混合，并進(jìn)行攪拌。在攪拌過程中，應(yīng)控制好攪拌時間和速度，以確?；旌暇鶆颉?/p>

2.2.3涂層制備

將混合后的材料涂在氧化鋁陶瓷基板表面，并進(jìn)行干燥處理。在干燥過程中，需要控制好溫度和時間，以確保涂層均勻且沒有裂縫[2]。

2.2.4燒結(jié)處理

將涂有莫來石-氧化鋁涂層的氧化鋁陶瓷基板放入爐中進(jìn)行燒結(jié)處理。在燒結(jié)過程中，需要控制好溫度和時間，以確保產(chǎn)生足夠的結(jié)晶和致密度。

2.3 預(yù)應(yīng)力處理

預(yù)應(yīng)力陶瓷基板的最后一步是進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，其具體流程如下：

2.3.1制備預(yù)應(yīng)力陶瓷

在涂層加工完成后，需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理。將經(jīng)過涂層加工的氧化鋁陶瓷基板放入預(yù)應(yīng)力機(jī)中，施加一定的壓力和拉伸力，使其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，這樣可以增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基板的韌性和強(qiáng)度。

2.3.2預(yù)應(yīng)力陶瓷基板固化

在預(yù)應(yīng)力處理完成后，需要進(jìn)行固化處理。將預(yù)應(yīng)力陶瓷基板放入烤箱中進(jìn)行高溫固化處理，在固化過程中，需要控制好溫度和時間，以確保陶瓷基板充分固化。2.3.3檢驗

對預(yù)應(yīng)力陶瓷基板進(jìn)行檢驗，將預(yù)應(yīng)力陶瓷基板進(jìn)行物理性能測試，如拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性等。同時也要進(jìn)行外觀檢查，以確保表面涂層和基板的質(zhì)量符合要求。

需要注意的是，在完成陶瓷基板表面的涂層之后，涂層之上可能會存在一定的殘余應(yīng)力。這種狀態(tài)下，如果工人再對陶瓷基本進(jìn)行加工作業(yè)，很可能導(dǎo)致原有的應(yīng)力結(jié)構(gòu)被破壞。針對這一問題，研究人員引入等雙軸彎曲試驗，通過該試驗計算陶瓷基板的斷裂強(qiáng)度。本次實(shí)驗中，研究人員將加載速度設(shè)定為0.6mm/min，其中加載環(huán)的直徑為16mm，支撐環(huán)的直徑為38mm。設(shè)陶瓷基板材料的彎曲強(qiáng)度為，其計算公式為：

（1）

公式（1）中，代表陶瓷基板的斷裂荷載，代表陶瓷基板樣本的厚度，代表陶瓷基板樣本的長度，為陶瓷基板的泊松比。本次試驗中，代表加載環(huán)的直徑，代表支撐環(huán)的直徑。

3預(yù)應(yīng)力陶瓷基板熱導(dǎo)率和介電常數(shù)

氧化鋁陶瓷基板由于其機(jī)械強(qiáng)度高、電學(xué)性質(zhì)好、熱學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，對于熱學(xué)性質(zhì)的要求，主要是為了保證其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。因此，熱導(dǎo)率需要較高，這樣才能更好地承受高溫環(huán)境下產(chǎn)生的熱量，并將其分散到整個基板中。同時，熱膨脹系數(shù)也需要與相關(guān)材料匹配，以避免因熱脹冷縮而引起的熱應(yīng)力，從而影響基板的性能和壽命。在電學(xué)性質(zhì)方面，氧化鋁陶瓷基板需要具有較低的介電常數(shù)，這樣可以減少信號傳輸時的信號衰減，提高信號的傳輸速率和精度。此外，較高的絕緣電阻和絕緣破壞電壓也是必不可少的要求，可以保證其在高壓電場下的安全性和可靠性[3]。同時，還需要在高溫高濕等惡劣條件下保持性能的穩(wěn)定性，以確保其在工作過程中不會因環(huán)境因素的變化而失效。

莫來石是一種具有良好機(jī)械性能和電學(xué)性能的陶瓷材料，它的熱膨脹系數(shù)接近硅的熱膨脹系數(shù)，因此與硅具有良好的匹配性。莫來石在微電子制造中具有廣泛的應(yīng)用前景，在微電子領(lǐng)域，常常需要將不同的集成電路元件集成在一起，形成復(fù)雜的電路系統(tǒng)。然而，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)這些元件受到溫度變化時，容易出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致元件失效。為了解決這個問題，人們通常會使用中間層來緩沖不同材料之間的熱應(yīng)力，然而，中間層會增加信號傳遞的時間，從而降低整個電路系統(tǒng)的工作速度。而莫來石的低熱膨脹系數(shù)和低介電常數(shù)可以很好地解決這個問題，它既能夠緩沖不同材料之間的熱應(yīng)力，又能夠保證信號傳遞的速度。事實(shí)上，莫來石基片的信號傳遞速度比常用的氧化鋁基片更快，這是因為在基片的信號傳遞中，信號傳遞的時間和相對介電系數(shù)成正比，而莫來石的介電常數(shù)遠(yuǎn)低于氧化鋁陶瓷，因此信號傳遞速度更快。

3.1導(dǎo)熱率測試

本次研究中，相關(guān)工作人員基于相對法理論，確定陶瓷基板涂層導(dǎo)熱系數(shù)與基體以及復(fù)合體導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，借助這種方式在不破壞陶瓷基板涂層的前提下計算涂層導(dǎo)熱系數(shù)。具體公式為：

（2）

公式（2）中，代表陶瓷基板涂層導(dǎo)熱系數(shù)，代表陶瓷基體的導(dǎo)熱系數(shù)，代表陶瓷復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)，代表陶瓷基體厚度，代表涂層厚度。其中，的計算公式為：

（3）

分析公式（2）與公式（3）可以發(fā)現(xiàn)，制備的莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷復(fù)合基板因存在低熱導(dǎo)系數(shù)的莫來石可能會影響其整體的導(dǎo)熱性。

首先是基體的影響?；w是決定復(fù)合陶瓷基板導(dǎo)熱性的關(guān)鍵因素之一。一般而言，單一材料的導(dǎo)熱性與其晶格結(jié)構(gòu)、原子間距、材料密度及材料組成有關(guān)，而對于復(fù)合材料，由于其具有多種不同的物理性質(zhì)，其導(dǎo)熱性則取決于各組分間的相互作用。例如，當(dāng)一個高導(dǎo)熱性的材料與一個低導(dǎo)熱性的材料混合在一起時，會出現(xiàn)界面散射和反射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其整體導(dǎo)熱性能下降。

其次是涂層的熱膨脹系數(shù)的影響。涂層是復(fù)合陶瓷基板的重要組成部分，其作用是增強(qiáng)基體的強(qiáng)度和硬度。但同時，涂層的熱膨脹系數(shù)也會影響復(fù)合陶瓷基板的導(dǎo)熱性能。當(dāng)涂層與基體的熱膨脹系數(shù)不同而溫度變化時，會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而影響復(fù)合陶瓷基板的導(dǎo)熱性能。

最后是橫截面積的影響。橫截面積是指材料在垂直于傳熱方向的單位面積內(nèi)所包含的物質(zhì)量。對于相同材料，其橫截面積越大，則其通過該方向的熱量流量也就越大，導(dǎo)熱性也就更好。因此，在設(shè)計和制備復(fù)合陶瓷基板時，需要盡可能增加其橫截面積，以提高其導(dǎo)熱性能。

激光射頻法是一種非接觸式的熱傳導(dǎo)實(shí)驗方法，其優(yōu)點(diǎn)是具有高靈敏度、高精度和快速測量等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量復(fù)合陶瓷基板的導(dǎo)熱系數(shù)。本次研究中，工作人員選取了不同組分的復(fù)合陶瓷基板進(jìn)行測試，包括莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷復(fù)合基板、碳化硅-氧化鋁陶瓷復(fù)合基板等。通過實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同組分的復(fù)合陶瓷基板的導(dǎo)熱系數(shù)存在差異。

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅-氧化鋁陶瓷復(fù)合基板具有較好的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了50 W/m·K左右；而莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)氧化鋁陶瓷復(fù)合基板的導(dǎo)熱系數(shù)則相對較低，僅為15 W/m·K左右。研究人員進(jìn)一步分析了造成這些差異的原因，在制備復(fù)合陶瓷基板時，需要選擇高導(dǎo)熱性的材料，并盡可能減少低導(dǎo)熱性材料的使用，以提高其整體的導(dǎo)熱性能。

3.2介電常數(shù)測試

陶瓷基板是一種重要的電子材料，廣泛應(yīng)用于電子元器件、集成電路等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，由于其節(jié)點(diǎn)常數(shù)的大小與信號傳輸延遲相關(guān)，因此需要將陶瓷基板的介電常數(shù)保持在較低水平，以提高電子設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本次研究中，相關(guān)工作人員采用了E49990A阻抗分析儀對預(yù)應(yīng)力基板以及氧化鋁基本的介電常數(shù)進(jìn)行測驗，該儀器可以精確地測量材料的電學(xué)特性，包括介電常數(shù)、電導(dǎo)率等。通過對不同類型的基板進(jìn)行測試，研究人員得出了它們的介電常數(shù)，并對結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。隨著莫來石含量的增加，涂層中的復(fù)合體的介電常數(shù)也會逐漸降低，這個過程可以被描述為一種材料學(xué)上的混合行為，其中不同材料的物理和化學(xué)特性相互作用，并最終導(dǎo)致材料整體性能的改變。此外，在涂層工藝中，通常需要考慮涂層的結(jié)構(gòu)、厚度和成分等因素，以確保涂層的最終性能符合預(yù)期要求。

4結(jié)論

本研究成功地制備了莫來石-氧化鋁涂層增強(qiáng)的氧化鋁陶瓷基板，并對其進(jìn)行了熱導(dǎo)率和介電常數(shù)的分析。結(jié)果表明，該涂層能夠顯著提高氧化鋁陶瓷基板的熱導(dǎo)率和介電常數(shù)，同時具有較好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。這一研究成果為氧化鋁陶瓷基板在電子、光電、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值和推廣意義。

參考文獻(xiàn)

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