莫來石-氧化鋁涂層增強氧化鋁陶瓷基板制備及熱導率/介電常數

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)境下的應用場景。本次研究中，相關工作人員詳細探究莫來石-氧化鋁涂層增強氧化鋁陶瓷基板的制備方式，并利用測試確定其熱導率以及介電常數，通過這種方式，以期為增強氧化鋁陶瓷基板的物理、機械以及化學性能提供技術支持。

關鍵詞：氧化鋁；莫來石-氧化鋁涂層；介電常數

1 前言

莫來石作為一種新型無機材料，其具有優(yōu)異的導熱性能和介電常數等特點，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，其介電常數高，但是熱導率相對較低。因此，在現有技術中，通過涂層的方式在氧化鋁陶瓷基板表面引入高熱導率和適當介電常數的材料，可以提高氧化鋁陶瓷基板整體性能。熱導率和介電常數是衡量材料性能的重要指標。熱導率的大小與物質內部分子運動和排列密切相關，而介電常數則控制了物質對電場的響應。通過對莫來石-氧化鋁涂層增強氧化鋁陶瓷基板制備及其熱導率和介電常數進行分析，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域的應用。

2預應力陶瓷基板制備流程

預應力陶瓷基板是一種具有高強度和高韌性的材料，廣泛應用于各種領域，如航天、電子、醫(yī)療等[1]。為了進一步提高預應力陶瓷基板的性能，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應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材料準備

首先需要準備氧化鋁粉末、黏結劑和溶劑。通常使用的黏結劑是聚乙烯醇（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，并進行攪拌。在攪拌過程中，應控制好攪拌時間和速度，以確保混合均勻。

2.1.3粘結成型

將混合后的材料放入模具中，進行壓制成型。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燒結處理

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

2.2 涂層制備

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

2.2.1材料準備

首先需要準備莫來石粉末、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，并進行攪拌。在攪拌過程中，應控制好攪拌時間和速度，以確保混合均勻。

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行燒結處理。在燒結過程中，需要控制好溫度和時間，以確保產生足夠的結晶和致密度。

2.3 預應力處理

預應力陶瓷基板的最后一步是進行預應力處理，其具體流程如下：

2.3.1制備預應力陶瓷

在涂層加工完成后，需要進行預應力處理。將經過涂層加工的氧化鋁陶瓷基板放入預應力機中，施加一定的壓力和拉伸力，使其產生預應力，這樣可以增強氧化鋁陶瓷基板的韌性和強度。

2.3.2預應力陶瓷基板固化

在預應力處理完成后，需要進行固化處理。將預應力陶瓷基板放入烤箱中進行高溫固化處理，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

對預應力陶瓷基板進行檢驗，將預應力陶瓷基板進行物理性能測試，如拉伸強度、斷裂韌性等。同時也要進行外觀檢查，以確保表面涂層和基板的質量符合要求。

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力。這種狀態(tài)下，如果工人再對陶瓷基本進行加工作業(yè)，很可能導致原有的應力結構被破壞。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度。本次實驗中，研究人員將加載速度設定為0.6mm/min，其中加載環(huán)的直徑為16mm，支撐環(huán)的直徑為38mm。設陶瓷基板材料的彎曲強度為，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預應力陶瓷基板熱導率和介電常數

氧化鋁陶瓷基板由于其機械強度高、電學性質好、熱學性能優(yōu)越等特點，在眾多領域得到了廣泛的應用。其中，對于熱學性質的要求，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，熱導率需要較高，這樣才能更好地承受高溫環(huán)境下產生的熱量，并將其分散到整個基板中。同時，熱膨脹系數也需要與相關材料匹配，以避免因熱脹冷縮而引起的熱應力，從而影響基板的性能和壽命。在電學性質方面，氧化鋁陶瓷基板需要具有較低的介電常數，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械性能和電學性能的陶瓷材料，它的熱膨脹系數接近硅的熱膨脹系數，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用前景，在微電子領域，常常需要將不同的集成電路元件集成在一起，形成復雜的電路系統。然而，由于不同材料的熱膨脹系數不同，當這些元件受到溫度變化時，容易出現熱應力，導致元件失效。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的工作速度。而莫來石的低熱膨脹系數和低介電常數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力，又能夠保證信號傳遞的速度。事實上，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成正比，而莫來石的介電常數遠低于氧化鋁陶瓷，因此信號傳遞速度更快。

3.1導熱率測試

本次研究中，相關工作人員基于相對法理論，確定陶瓷基板涂層導熱系數與基體以及復合體導熱系數之間的關系，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熱系數。具體公式為：

（2）

公式（2）中，代表陶瓷基板涂層導熱系數，代表陶瓷基體的導熱系數，代表陶瓷復合體的導熱系數，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，制備的莫來石-氧化鋁涂層增強氧化鋁陶瓷復合基板因存在低熱導系數的莫來石可能會影響其整體的導熱性。

首先是基體的影響。基體是決定復合陶瓷基板導熱性的關鍵因素之一。一般而言，單一材料的導熱性與其晶格結構、原子間距、材料密度及材料組成有關，而對于復合材料，由于其具有多種不同的物理性質，其導熱性則取決于各組分間的相互作用。例如，當一個高導熱性的材料與一個低導熱性的材料混合在一起時，會出現界面散射和反射現象，從而導致其整體導熱性能下降。

其次是涂層的熱膨脹系數的影響。涂層是復合陶瓷基板的重要組成部分，其作用是增強基體的強度和硬度。但同時，涂層的熱膨脹系數也會影響復合陶瓷基板的導熱性能。當涂層與基體的熱膨脹系數不同而溫度變化時，會產生內應力，從而影響復合陶瓷基板的導熱性能。

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所包含的物質量。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，導熱性也就更好。因此，在設計和制備復合陶瓷基板時，需要盡可能增加其橫截面積，以提高其導熱性能。

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

分析圖1可以發(fā)現，碳化硅-氧化鋁陶瓷復合基板具有較好的導熱性能，其導熱系數達到了50 W/m·K左右；而莫來石-氧化鋁涂層增強氧化鋁陶瓷復合基板的導熱系數則相對較低，僅為15 W/m·K左右。研究人員進一步分析了造成這些差異的原因，在制備復合陶瓷基板時，需要選擇高導熱性的材料，并盡可能減少低導熱性材料的使用，以提高其整體的導熱性能。

3.2介電常數測試

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

為了實現這一目標，本次研究中，相關工作人員采用了E49990A阻抗分析儀對預應力基板以及氧化鋁基本的介電常數進行測驗，該儀器可以精確地測量材料的電學特性，包括介電常數、電導率等。通過對不同類型的基板進行測試，研究人員得出了它們的介電常數，并對結果進行了分析和比較。隨著莫來石含量的增加，涂層中的復合體的介電常數也會逐漸降低，這個過程可以被描述為一種材料學上的混合行為，其中不同材料的物理和化學特性相互作用，并最終導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構、厚度和成分等因素，以確保涂層的最終性能符合預期要求。

4結論

本研究成功地制備了莫來石-氧化鋁涂層增強的氧化鋁陶瓷基板，并對其進行了熱導率和介電常數的分析。結果表明，該涂層能夠顯著提高氧化鋁陶瓷基板的熱導率和介電常數，同時具有較好的機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、航空等領域的應用提供了新的思路和方法，具有重要的實際應用價值和推廣意義。

參考文獻

[1]吳昊龍，曹大可，李俊峰，邱巖，萬德田，包亦望.莫來石涂層對氧化鋁基體力學性能的影響[J].硅酸鹽學報，2023，51（03）：750-756.

[2]郝鴻漸，李海燕，萬德田，包亦望，李月明.莫來石/氧化鋁預應力涂層增強氧化鋁的彎曲強度和抗熱震性能[J].無機材料學報，2022，37（12）：1295-1301.

[3]陸琪，劉英坤，喬志壯，劉林杰，高嶺.陶瓷基板研究現狀及新進展[J].半導體技術，2021，46（04）：257-268.