含有氧化陶瓷的具有受控熱膨脹系數的復合材料及其獲得方法技術

本發明專利技術涉及一種復合材料，包含特征在于具有負熱膨脹系數的陶瓷成分和氧化陶瓷顆粒；涉及其獲得方法并涉及其在微電子、精密光學、航空航天中的應用。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種復合材料，包含特征在于具有負熱膨脹系數的陶瓷成分和氧化陶瓷顆粒；涉及其獲得方法并涉及其在微電子、精密光學、航空航天中的應用。
技術介紹
具有低熱膨脹系數(CTE)的材料在非常不同的領域中具有寬范圍的應用。在許多種精密裝置中以及在高技術系統、微電子工業和精密光學中的儀表裝置中需要這些類型的材料。簡而言之，在其中必須保證精密元件隨溫度變化的尺寸穩定性的所有那些應用中，這使得必須降低形成這些元件的材料的CTE。利用不同材料制造的元件的熱膨脹的不平衡也可以使用具有需要的(和均勻的)CTE的復合物的設計來解決。具有特制的CTE的這些材料 的設計可以使用具有正膨脹和負膨脹的成分的組合來處理。復合物的CTE的這種特制設計可以在不同溫度下進行，從而使得具有零CTE的成分的最終應用領域取決于是否實現了用于所述應用的特定功能所需要的其他特性。鋰鋁硅酸鹽(LAS)的陶瓷和玻璃-陶瓷的族頻繁用于許多應用領域中的這種目的；從用于廚房的玻璃-陶瓷到用于人造衛星的鏡子。該族的一些礦物相具有負CTE，這使得可以將它們用于具有受控的且特制的CTE的復合物中。頻繁地，具有負CTE的材料具有低抗破裂性，因為它們的負值是由不同結晶取向之間的強各向異性而造成，其中負膨脹通常存在于它們的一種中，且正膨脹存在于其他兩種中。各向異性通常造成微裂紋，這導致這些材料的機械性能值低的結果。然而，這些膨脹性能對于具有零CTE的復合物的制造的有用性在工程、光子、電子和/或特定的結構應用中具有寬范圍的潛力(Roy, R 等人，Annual Review of Materials Science, 1989,19, 59-81 )。在 LAS 體系中具有負膨脹的相是β-鋰霞石(LiAlSiO4),因為在其晶軸之一的方向上的負膨脹較大。鋰輝石(LiAlSi2O6)和透鋰長石(LiAlSi4Oltl)相具有接近于零的CTE。制造具有LAS組成的材料的傳統方法是對玻璃進行處理以制造玻璃-陶瓷。這種方法涉及形成玻璃從而之后對結晶LAS相的隨后沉積在較低溫度下施加熱處理，并由此控制其CTE。有時候這種方法產生不均勻的材料，并且當然，由于其是玻璃，所以與陶瓷相比，其機械性能(剛性和抵抗性)對于許多工業應用不夠高。這是廣泛用于大量應用中但具有過低抗破裂性和拉伸模量值的Zerodur15 (由Schott市售)的情況。因此，如果需要更好的機械性能，則玻璃-陶瓷的替代物是必要的。存在具有接近于零的CTE的其他陶瓷材料如US4403017中公開的堇青石，或者同樣具有不足的機械性能的m/m·'具有低CTE的材料的制備的替代方案由將具有正熱膨脹系數的第二相添加到CET為負值的LAS陶瓷基質中組成，如US6953538，JP2007076949或JP2002220277，以及專利申請P200930633的情況中那樣。這后一種選擇非常有趣，因為CET值和其他性能兩者都可以通過在基質中添加適當比例的第二相來調節。另一方面，并且考慮到材料的最終性能是兩種以上成分的組合的結果，這些復合物的主要問題在于設法在寬溫度范圍內控制CTE值。因此，在US6953538，JP2007076949或JP2002220277中，其中實現高尺寸穩定性的溫度范圍為約30-50°C。在專利申請P200930633中，擴展了用于接近于零的CTE值的溫度范圍。專利(US6566290B2)公開了一種具有LAS基質的復合材料，其用于汽車領域，如柴油機中的過濾器中，其中使用低CTE但是具有高孔隙率(可達到按體積計35-65%)來保護材料。這些材料不滿足提高的機械性能的要求。
技術實現思路
本專利技術提供一種復合材料，其具有陶瓷基質和氧化陶瓷顆粒，其提供優異的機械和熱性能以及高耐氧化性；本專利技術還提供其獲得方法以及其在微電子、精密光學、航天航空中的應用。本專利技術的第一方面涉及一種材料，包含a.陶瓷成分，和b.氧化陶瓷顆粒， 其中所述材料具有-6X 10_6°C 1至6. OlXlO-6oC 1的熱膨脹系數。在本專利技術中，“復合材料”被理解為由兩種以上可以相互區分的成分形成的材料；它們具有由其成分的組合獲得的性能，所述性能優于單獨形成它們的材料。在本專利技術中，“熱膨脹系數”(CTE)被理解為反映加熱時材料經歷的體積變化的參數。陶瓷成分優先選自Li2O = Al2O3 = SiO2或MgO = Al2O3 = SiO2，這種成分更優選為β-鋰霞石或者堇青石。所述陶瓷成分相對于最終材料的比例大于按體積計O. 1%。氧化陶瓷顆粒優選為至少一種元素的氧化物，其中所述元素選自Li、Mg、Ca、Y、Ti、Zr、Al、Si、Ge、In、Sn、Zn、Mo、W、Fe 或它們的任意組合。氧化陶瓷顆粒更優先選自氧化鋁(礬土)或莫來石。在氧化陶瓷顆粒更優選為尖晶石型結構的情況下，它們甚至更優先選自MgAl204、FeAl2O4或由兩者的組合產生的任意固溶體。在優選的實施方式中，氧化陶瓷顆粒具有20至IOOOnm的尺寸。通過使用氧化鋁(或另一種氧化成分)作為這些復合物中的第二相的本專利技術材料的優點在于在高溫氧化氣氛中獲得和使用這些材料，同時將CTE保持在接近于零或受控的值的可能性，與純LAS陶瓷相比，具有提高的機械性能的低密度復合物。本專利技術基于新型復合陶瓷材料，其基于具有負CTE的硅酸鋁和氧化陶瓷顆粒的第二相。所述材料的最終組成可以根據所用的具有負CTE的硅酸鋁的含量來進行調節，所述含量決定第二氧化相的需要量以獲得具有根據期望需求的CTE的最終材料。本專利技術的第二方面涉及前述材料的獲得方法，所述方法包括如下步驟a.陶瓷成分與氧化陶瓷顆粒在溶劑中的混合，b.在(a)中獲得的混合物的干燥，c.在(b)中獲得的材料的成形，d.在(C)中獲得的材料的燒結。在步驟(a)中使用的溶劑選自水、無水醇或它們的任意組合，更優選地，所述無水醇為無水乙醇。所述步驟(a)的混合優選在100至500r. p. m下進行。這種混合可以在磨碎機中進行。復合材料的處理條件對于成形的材料的關鍵特征如其密度或孔隙率分布有決定性影響，且其在很大程度上決定通過固態燒結獲得致密材料的可能性。在粉末混合物處理期間，必須獲得各種成分的均勻分布，從而避免形成凝聚物，這在納米粉末的情況下中是特別重要的。在優選的實施方式中，所述步驟(b)的干燥通過霧化(原子化,atomi zat i on )進行。在本專利技術中，“霧化”被理解為通過利用氣流對溶液和懸浮液進行霧化而干燥的方法。所述步驟(c )的成形優選通過冷或熱等靜壓來進行。 在本專利技術中，“等靜壓”被理解為通過將通常為粉末形式的材料密封裝入到模具中，通過流體施加靜水壓(液體靜壓力)而進行的壓制方法；由此獲得的部件具有均勻和各向異性的性能。當進行冷等靜壓時，其更優選在100至400MPa的壓力下進行。在燒結工藝下控制相的反應性使得可以在與LAS單片陶瓷相比，保持低密度和提高的機械性能與抗撓剛度的同時調節復合物的CTE。所述步驟(d)的燒結溫度優選為700至1600°C。所述步驟(d)的燒結可以在不施加壓力的情況下或施加單軸壓力而進行。當其在不施加壓力的情況下進行時，可以在常規烘箱中進行燒結，而當在燒結期間施加單軸壓力時，其可以通過放電等離子燒結(火花本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：拉蒙·托雷西拉斯桑米蘭，奧爾加·加西亞莫雷諾，阿道弗·費爾南德斯瓦爾德斯，
申請(專利權)人：西班牙高等科研理事會，
類型：
國別省市：