透明陶瓷的制作工艺及关键因素

所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。通常陶瓷是不透明的,其原因是陶瓷材料内部含有的微气孔等缺陷对光纤产生折射和散射作用,使得光线几乎无法透过陶瓷体。1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性,随后1962年R.L.Coble首次制备了半透明的Al2O3陶瓷证实了这一点,同时也为陶瓷材料开辟了新的应用领域。艾邦建有透明陶瓷产业微信群,欢迎产业链上下游企业/高校研究所参与,长按识别二维码,添加管理员微信,即可加入。

透明陶瓷的制作工艺及关键因素

一、透明陶瓷的特点

透明陶瓷不仅有良好的透明性和光学特性,同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、热导率高及良好的介电性能,因此在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲等领域得到愈来愈多的应用。
透明陶瓷的制作工艺及关键因素
此外,与单晶相比,透明陶瓷制造成本低、易于大批量生产,可以制成尺寸较大、形状复杂的制品;而与玻璃相比,透明陶瓷具有强度和硬度高、光学透过范围大、导热性好、耐腐蚀、可以实现活性离子的高浓度均匀掺杂等特点,所以对于许多特殊要求的光学零部件及激光材料,透明陶瓷具有无可比拟的优势。

二、陶瓷如何做到透明?

首先我们要了解一下影响陶瓷透明的几个因素。

1、影响陶瓷透明的因素

  • 气孔率
  • 晶界结构
  • 表面光洁度
  • 晶粒尺寸
  • 晶体结构
  • 杂质
透明陶瓷的制作工艺及关键因素
图 多晶陶瓷中的主要光线散射效应

2、如何将陶瓷做的透明?

想让陶瓷透明,必须从以上几个方面进行改善:
  • 完全消除气孔或使气孔率趋于0;
  • 通过研磨抛光提高表面光洁度;
  • 减小杂质;
  • 选用各项同性的立方晶系材料
  • 让晶界结构尽可能薄,洁净无杂物和气孔
  • 让晶粒尺寸与入射光波长相差较大;
  • 选择立方等轴晶系的陶瓷

三、透明陶瓷的制作工艺及关键因素

以下是透明陶瓷的工艺流程。

透明陶瓷的制作工艺及关键因素
制作透明陶瓷关键工艺因素有以下几点:
  • 陶瓷粉末的选择
陶瓷粉末特性直接影响致密化烧结和陶瓷内部的显微结构,从而显著影响最终烧结后陶瓷的透光性能。
  • 合适的烧结添加剂
添加剂用量一般很少,原则上所使用的的添加剂应能均匀分布于材料中,即能完全固溶于主晶相而不以新的固相形式析出,不破坏系统的单相性,否则又会形成新的第二相散射。
  • 致密化烧结工艺
合理而有效的烧结工艺可充分地排除气孔,使气孔率趋近于零,从而达到完全致密化,获得透光性良好的透明陶瓷;因此烧结工艺选择是否合理在很大程度上直接决定陶瓷透明性。
  • 表面加工光洁度
透明陶瓷的制作工艺及关键因素
图 制作透明陶瓷的重要因素
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陶瓷加工设备:砂磨机、球磨机、真空脱泡机、三辊机、喷雾造粒机、干压机、流延机、注塑机、3D打印机、模具、干燥设备、研磨机、精雕机、裁片机、激光设备、打孔机、填孔机、丝网印刷机、叠层机、层压机、等静压机、热切机、整平机、排胶炉、烧结炉、钎焊设备、电镀设备、化学镀、喷银机、浸银机、端银机、真空镀膜设备、显影设备、去膜设备、蚀刻机、湿制程设备、等离子清洗、超声波清洗、自动化设备、剥离强度测试仪、AOI检测设备、打标机;

封装测试设备:贴片机、引线键合机、封盖机、平行缝焊封帽、切筋机、钎焊设备、激光调阻机、网络分析仪、热循环测试设备、测厚仪、氦气检漏仪、老化设备、外观检测、超声波扫描显微镜、X-光检测、激光打标、分选设备、测包编带机等;

7、耗材:离型膜、载带(塑料和纸质)、耐火材料、承烧板/匣钵(氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等)、承烧网、发泡胶、研磨耗材(金刚石微粉、研磨液)、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

二、热管理产业链:

 

1、热管理材料:氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉(钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等)、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板;

2、散热器件:半导体制冷片(TEC)、IGBT散热器(铜、铝)、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;

3、设备:压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机,CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。

三、功率半导体器件封装产业链:

1、材料:碳化硅,陶瓷衬板(DBC、AMB)、封装管壳、键合丝、散热基板(铜、铝碳化硅AlSiC)、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料(预制焊片)、银膜/银膏、散热器(铜、铝)、功率引出端子(铜端子)、外壳(工程塑料PPS、PBT、高温尼龙)、清洗剂等;

2、设备及配件:真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等;

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作者 gan, lanjie