氧化铝黑瓷浆料流变性能的研究

薄 ,空间位阻作用较弱 ,粒子间排斥力较小 ,表现为浆
料流动性较差 ,粘度较高 。分散剂用量增加 ,将增大其
对粒子的覆盖率或吸附层厚度 ,使浆料流动性明显改
善 ,粘度不断下降 ,直至达到最低粘度 ,体系稳定性达
到最佳 。当分散剂用量大于粉体颗粒形成饱和吸附所
需的量时 ,过量的分散剂会在粒子间架桥而导致絮凝 ,
其沉降速率越小 ,即它在液相中悬浮时间越长 。细颗
粒烧结活性较好 ,可降低烧结温度 ,促进基板烧结均
匀 、致密 。但细粉料在制备悬浮体和后处理过程中极
易发生粒子凝并 、团聚[9 ,10 ] ,且所需的溶剂 、分散剂 、粘
结剂和增塑剂的用量也相应会增加 ,从而影响流延料
浆的分散性 、流变稳定性 ,使悬浮体固相体积分数降
面积达到 11 6011m2 / g , 粒子间相互吸引能减小 ,有利
图 1 分散剂用量对浆料流变性能的影响 Fig. 1 Effect of disper sant content on t he visco sit y of slurry
分散剂用量过小时 ,分散剂在粒子表面的吸附不
完全 ,粒子表面未被分散剂有效覆盖或吸附层厚度太
从而使浆料的流动性变差[11 ,12 ] ,并且由图 1 可知 ,对
于不同固相体积分数的浆料 ,分散剂的最佳用量也有
很大差异 ,随着固相体积分数的增加 ,分散剂的最佳用
量也相应增加 。
2. 3 不同固含量浆料的流变特性
浆料制备是整个成型工艺中的首要环节 ,在成型
过程中为了能够顺利成型并达到较高的生坯密度 ,希
低 。对粉体进行预烧处理 ,可Fra Baidu bibliotek大颗粒尺寸 、降低粉体
比表面积 、改善其团聚现象 ,有利于制备高固相量的浆
料 。本研究中 ,预烧处理前粉料的颗粒较细 ,比表面积
为 61 6609m2 / g ,比表面能较高 ,粒子处于不稳定状态 ,
因而粒子间极易相互吸引产生团聚而影响料浆的流动
性 。粉料在 1000 ℃预烧处理后 ,颗粒尺寸变大 ,比表
随着电子元件小型化 、集成化的迅速发展 ,对所用 基板和封装材料提出了高的要求 ,氧化铝基板由于其 导热性 、介电性 、耐高温 、耐磨性等性能优良 ,是集成电 路材料的支柱产品 。由于半导体集成电路常具有明显 的光敏性 ,故要求作封装管壳的氧化铝陶瓷应具有遮 光性 。为此 ,国内外研制出黑色氧化铝陶瓷 ,用于集成 电路管壳[1 ,2] 。目前对于陶瓷基片的成型主要有注模 凝胶法 、干压成型 、挤出成型 、等静压成型 、压延成型 、 注射成型及流延等成型方法[3] 。其中 ,以流延法成型 生产效率最高 , 且易于实现生产的连续化和自动 化[4 ,5] 。流延成型的具体工艺过程通常是将陶瓷粉末 与粘合剂在有机溶剂中混合 , 形成均匀稳定悬浮的浆 料 ,然后将浆料从料斗下部流至基带上 , 通过基带与 刮刀的相对运动形成坯膜 ,坯膜的厚度由刮刀控制 。 将坯膜连同基带一起送入烘干室 ,溶剂蒸发 ,有机结合 剂在陶瓷颗粒间形成网络结构 ,形成具有一定强度和 柔韧性的坯片 , 干燥的坯片连同基带一起卷轴待
of Technology , Nanjing 210009 ,China)
摘要 : 通过对氧化铝黑瓷粉料进行预烧技术处理 ,增大颗粒尺寸 、降低粉体比表面能 、改善其团聚现象 ,制备出固相体积 分数达 55 %的氧化铝黑瓷稳定料浆 ,并研究了分散剂用量 、体系固相体积分数 、R 值 (塑性剂/ 粘结剂) 对料浆流变性的影 响 。结果表明 :浆料的粘度随剪切速率增加而下降 ,呈剪切稀化的流变学特性 ,随着固相体积分数的增加 ,浆料的最佳分 散剂用量也相应增加 ;浆料的粘度随着 R 值的增加而急剧降低 ,流变性能得到明显改善 。 关键词 : 氧化铝黑瓷 ;粘度 ;流变特性 中图分类号 : O373 文献标识码 : A 文章编号 : 100124381 (2005) 1120013203
1. 2 性能测试 将 Al2 O3 粉料在乙醇中超声分散后 ,用 N SC H21
颗粒分析仪测定粉料的粒度及其分布 。测试采用自然 沉降和离心沉降相结合的方式进行 。
用美国库尔特公司 OMN ISO RP 100CX 型比表面 积和孔容分析仪测定混合粉体的比表面积 。
用 NDJ211 型旋转式粘度计测定浆料的流变性 能 。剪 切 速 率 测 定 范 围 为 0 ～ 600 s - 1 , 实 验 温 度 20 ℃。
氧化铝黑瓷浆料流变性能的研究
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氧化铝黑瓷浆料流变性能的研究
St udy o n Rheolo gical Behavio r of Alumina Black Po rcelain Sl urry
姚义俊 , 丘 泰 , 沈春英 ,杨 建 (南京工业大学 材料科学与工程学院 , 南京 210009) YAO Yi2jun ,Q IU Tai ,S H EN Chun2ying , YAN G J ian (College of Material s Science and Engineering , Nanjing U niversit y
图 3 所示为分散剂掺量为 4 % (体积分数) ,固相 体积分数为 40 %时浆料的粘度随 R 值的变化情况 。
由图 3 可见 ,随着 R 值的增大 ,浆料粘度显著降 低 。其原因是增塑剂小分子插入粘结剂聚乙烯醇缩丁 醛 ( PVB) 高分子链之间 ,增加了长链的距离 ,起到了润 滑作用 ,降低了粘度[14] 。当增塑剂用量超过最佳掺量 时 ,多余的增塑剂小分子相互缠绕 ,增加浆料粘度 ,使 得浆料流动性变差 。
望在保持成型必须的流变性能的前提下尽可能提高浆
料的固相含量 。
图 2 所示为在最佳分散状态下 ,不同固相体积分
数浆料的流变性能 。由图 2 可见 ,随着固相体积分数
的 提 高 , 浆 料 的 粘 度 增 大 , 流 动 性 能 变 差 。根 据
Woo dcock 方程[13 ] :
h= d
1 3πφ
图 2 浆料的流变性能与固含量的关系 (a) 剪切应力 ; (b) 粘度
Fig. 2 Effect of solid loading on t he rheological behavior of slurry
(a) shear force ; ( b) shear viscosit y
加 ,相互接触几率增加 ,从而阻碍浆料的层间运动 ,而 且颗粒之间距离的减小使颗粒的团聚加剧 ,所以料浆 粘度将不断增大 ,稳定性变差 。由图 2 可见 ,随着固相 体积分数的增加 ,浆料在相同剪切速率下的剪切应力 值逐渐增大 ,浆料流动性变差 ,在料浆固相体积分数小 于 40 %时 ,料浆粘度表现为随体系固相体积分数增加 呈平缓上升的趋势 ,但当固相体积分数再继续增加时 , 料浆粘度急剧上升 ,料浆的流动性也会随着体系固相 体积分数的增加而急剧降低 。随着剪切速率的增加 , 料浆的粘度不断下降 ,特别是在低剪切速率下 ,粘度下 降较快 ,表明氧化铝黑瓷料浆呈剪切稀化的流变学特 征。 2. 4 增塑剂与粘结剂的比值 R 对浆料流变性能的影 响
2 结果与讨论
2. 1 黑瓷粉料的改性
固体颗粒在液相中的悬浮性可由 Sto kes G 公式
描述[8] ,即 :
V = 2 a2 (ρ- ρ0 ) g/ 9η
(1)
式中 :V 为颗粒沉降速度 , a 是颗粒半径 ,ρ是颗粒
密度 ,η为液相粘度 ,ρ0 为液相密度 。由上式可知 ,固 体颗粒的大小对其悬浮性有很大的影响 。颗粒越小 ,
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制备首先是在混合粉料中加入二甲苯/ 异丙醇混合溶 剂及分散剂 (O P285) 进行初次球磨 4h ,使各种粉料在 溶剂中充分分散悬浮 ,然后再加入粘结剂 (聚乙烯醇缩 丁醛) 、塑性剂 (邻苯二甲酸二丁脂) 进行第二次混磨 , 使这些有机添加剂均匀分布并有效吸附于粉粒之上 , 形成稳定的流动性良好的浆料 ,然后加入除泡剂进行 真空搅拌 ,经流延机流延成型 。
Abstract : Preheating is used to increase t he dimensio n of ceramics powder , lower t he specific surface energy and imp rove t he p heno meno n of aggregatio n. The alumina black porcelain slurries co ntaining 55 % solid volume were o btained by using t he p reheating technique. The effect s of t he amo unt of dis2 per sant , solid volume f ractio n and t he R ratio o n t he rheolo gical behavio r s of t he slurries were st ud2 ied. The result s indicate t hat rheological behavior of alumina black porcelain slurries appear shearing t hinning and t he optimum amo unt of disper sant increases wit h t he increase of solid loading. The vis2 co sit y of slurries decreases sharply wit h t he increase of t he R ratio , t he rheolo gical behavio r s of alumi2 na black po rcelain slurries were imp roved o bvio usly. Key words : alumina black porcelain ; visco sit y ; rheolo gical behavior
用[6 ,7] 。在流延工艺中 ,料浆的粘度是影响坯片质量 的重要参数之一 ,是料浆内摩擦或粘 (滞) 性的反映 ,是 流体内部阻碍其相对流动的一种特性 。由于料浆是 固2液混合体系 ,组成料浆的成分如粉料 、溶剂 、分散 剂 、粘结剂以及塑性剂的选择直接影响流延浆料的性 能 ,从而对素坯 、烧结制品的性能产生影响 。本工作采 用流延成型制备黑色氧化铝瓷基板 ,通过研究有机粘 合剂各组分对料浆粘度的影响 ,确定氧化铝黑瓷基板 流延成型的最佳配方 。
表 1 黑色氧化铝瓷配方( 质量分数/ %) Table 1 Co mpo sition of alumina black porcelain
(mass f ractio n/ %)
Al2 O3 91. 7
Co2 O3 0. 5
MnO2 3. 5
Cr2 O3 2. 5
SiO2 0. 3
TiO2 1. 5
1 实验过程
1. 1 浆料制备 所用氧化铝粉末为工业级α2Al2 O3 原料 ,经超细
磨后平均粒度为 0. 88μm ,比表面积为 6. 6609m2 / g ,在 氧化铝粉末中加入约 8 % (质量分数) 的着色氧化物 ( Co2 O3 、MnO2 、Cr2 O3 等) 均匀混配料 ,具体配方见表 1 ,对粉料进行预烧技术处理 ,改善其表面特性 ;浆料的
+
5 6
1/ 2
-1
(2)
式中 : h 为颗粒间距 ; d 为颗粒直径 ;φ为固相体积
分数 。固相体积分数越大 ,浆料中粒子间距离越小 ,浆
料中连续相体积也越小 ,颗粒之间 Van der waals 力增
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图 3 浆料粘度与 R 值的关系 Fig. 3 Effect of t he R ratio on t he visco sit y of slurry
材料工程 / 2005 年 11 期
于其在料浆中稳定悬浮 。 2. 2 分散剂用量对浆料稳定性的影响
图 1 所示为在不同分散剂用量下 ,由预烧处理的 氧化铝黑瓷粉体制备的各固含量浆料的粘度变化情 况 。从图 1 可以看出 ,随着分散剂浓度增加不同固相 体积分数的黑瓷浆料粘度先逐渐减小 ,达到最低值后 , 又缓慢升高 ,每个固相体积分数的浆料均存在一个最 佳的分散剂用量 ,此时浆料的粘度最低 。