负离子陶瓷范文

负离子陶瓷范文（精选4篇）

负离子陶瓷 第1篇

通常情况下,空气分子含有等量的正、负电成分,呈中性状态。然而,当空气分子受到某些因素的影响而失去电子时,就成为空气正离子,而那些游离的自由电子则被吸附到空气中的其他分子上,由于氧分子比氮、二氧化碳等分子更具有亲和性,氧分子便优先俘获电子而形成负离子,故空气负离子又被称为氧负离子(即负氧离子)[1]。

据专家研究认为,空气负离子主要有以下作用:1)负离子可使大脑皮层功能加强,工作效率提高,睡眠质量改善;还可以增强脑组织的氧化过程,使其获得更多的氧。2)负离子有明显扩张血管的作用,可解除动脉血管痉挛,降低血压;还可以改善心脏功能。3)能使血液中含氧量增加,有利于血液中氧的输送,吸收和利用。4)负离子对呼吸系统影响最明显,因它可提高人的肺活量,改善和增强肺功能[1~2]。能释放负离子的负离子陶瓷材料是一种能够改善污染环境的新型陶瓷材料。本文介绍了负离子陶瓷材料的种类及功能机理,综述了负离子陶瓷材料的制备及应用方面的研究进展,展望了负离子陶瓷材料的发展前景。

1 负离子源

空气负离子(negative air ions简称NAI)就是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。空气负离子主要包含:O2-、H-、H3O2-、O2-(H2O)n、OH-(H2O)n及CO4-(H2O)2等。其中O2-占20%,比例最大,相对最稳定。空气负离子的保健作用已被众多研究所验证,负离子含量与人体健康的关系如表1所示[3~6]。此外,负离子对血液有一定的净化功能、细胞复活作用,可以增强人体的抵抗力,还可以除去各种异味,具有较强的吸附与分解作用[4~12]。

自然界空气中负离子的主要来源是由于宇宙射线、阳光紫外线、岩石土壤中的放射性元素放出的射线激发,以及雷电电击激发、风暴、瀑布、海浪冲击磨擦等作用;另外,雨水的分解,森林、植物的光合作用所制造的新鲜空气等也含有负离子。而人造负离子则主要采用高压静电场、高频电场、紫外线、放射线和水的撞击等方法使空气电离,产生负离子。

实际应用的负离子发生器则是通过电晕放电(3k V~10k V)产生高浓度的空气负离子,然后借助于风机或其他手段,将负离子吹送向所需处。电晕放电易产生臭氧、氮氧化物等有害气体,这也使得很多的用户使用后会出现恶心、呕吐、头晕等反应。

近年来,人们发现,许多天然矿石(见表2)会产生空气负离子,一些无机氧化物复合粉体也可在空气中诱发负离子,有的稀土复合盐也具有导致空气中分子电离的功能。许多学者都进行了系统研究,研究发现,处理后的天然矿石能够释放高浓度的空气负离子(韩国和日本已做到了超过5000个/m3),无副效应,符合环保要求[3]。目前,许多的学者、厂家都在开发这方面的负离子材料,成为材料科学中的热点之一。

2 负离子陶瓷材料的功能机理

2.1 抗菌、抑菌作用

由于负离子材料周围有104~107V/m的强电场,细菌在电场及电场所形成的0.06m A微电流的作用下,被杀死或抑制分裂增生。经国家权威部门检测,负离子素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌抑菌率>99%,而且据测定,细菌大多带正电荷,在空气或水中,被大量H3O2-包覆或被H3O2-中和,使其失去了增生与繁殖的条件,进一步加强了抗菌、抑菌效果;同时负离子材料本身具有的远红外线发射能力也使靠远红外线辐射的电磁波能量起到辅助的抗菌、抑菌作用,消除各种因素对人体的危害,增进人体健康[5,13,14,15,16,17]。

2.2 发生负离子

人们在森林、瀑布、郊外或雨后会感到空气清新、呼吸舒畅和轻松愉快,这是因为空气中负离子显著增多的缘故。空气中的负离子与人体健康的关系非常密切,空气离子是指空气中带有正电荷或负电荷的离子。组成空气的各种气体的分子或原子,在湿度、温度、空气流动的条件下,气体分子失去外层电子,从而成为带有正电荷的阳离子,游离的电子与另一个中性分子结合,成为带负电荷的阴离子。大自然形成的阴离子与阳离子在正常情况下是一种动态平衡,即在空气中保持一定的阴阳离子比例、小离子与大离子的比例,并保持一定的阴离子浓度,以保证人类及地球生物正常的生育和繁殖。空气负离子对人体健康的好处主要是:使细胞活性化并加速新陈代谢、净化血液、稳定神经系统,使体内氧自由基无毒化,提高人的免疫力[5]。

当空气中的水分子进入负离子素电场空间内(一般为半径10~15μm的球形)会立即被永久电极电离,发生H2OOH-+H+的反应,由于H+移动速度很快(H+的移动速度是OH-的1.8倍),它迅速移向永久电极的负极,吸收一个电子,变为H2逸散到空气中(2H++2eH2↑);而OH-则与另外的水分子形成H3O2-负离子。其中H3O2-分子模型为:

这种变化只要空气湿度不为零就会不间断地进行,形成负离子(H3O2-)永久发射功能,而不会产生有毒物质引发其它副作用。实践证明,负离子素置于密封玻璃罐内,随时间变化,罐内氢气(H2)分压增加。

2.3 发射远红外线

负离子陶瓷材料是一种对人体健康非常有益的远红外线发射材料,它的单元体的正、负电荷无对称中心,即具有偶极矩,当它们做热运动时,相应的偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级,当它们向下跃迁时把多余的能量以电磁波的方式放出。人体吸收远红外线最佳波长为9.6μm,而负离子陶瓷添加剂发射远红外线的波长在2~18μm范围内,并且辐射功率发射密度为0.04W/cm2,比人体细胞能量密度0.03W/cm2略高,以数据可充分证实,负离子陶瓷添加剂发射的远红外线与人体协调很好,可被人体全部吸收[5]。

3 负离子陶瓷材料的研究进展

负离子材料可以直接加入陶瓷坯体制成负离子陶瓷材料,也可以加入陶瓷的釉面中;做成墙砖、地砖、卫生洁具、陶瓷过滤球等广泛应用的产品。

黄凤萍[18]等通过将电气石直接加入陶瓷坯体中,将载银抗菌剂和Ti O2通过浸渍复合在坯体表面及坯体通孔表而,制成了负离子抗菌复合陶瓷产品,并分析了该陶瓷的配方烧结温度和浸泡时间对负离子释放量和抗菌性能的影响,以及利用X射线衍射对该种陶瓷的微观结构进行了研究。结果表明通过在陶瓷坯体中加入负离了释放材料电气石和抗菌材料,可制得具有释放负离了和抗菌双重作用的陶瓷材料。电气石的加入量在10%,银系抗菌剂和Ti O2抗菌剂合量大于2%,其中银系抗菌剂占1/3左右,即可具有较强的负离了释放和抗菌能力。而且负离了有效的增强了抗菌剂的抗菌能力。为了保证既具有较高的负离了释放能力和较强抗菌能力,又具有较长的使用寿命,烧结温度选择在1080~1090℃较为适宜。

陈丽芸[19]等通过将电气石细碎后加到铸铁搪瓷面釉中,并对铸铁搪瓷的制作工艺进行合理设计,获得了具有产生负离了功能的铸铁搪瓷。经ITC-201A Smart Ions Monitor负离了测试仪检测,其发射负离了最高可达28090个/cm3,lm in平均值为1160个/cm3。用X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对负离了铸铁搪瓷的晶体结构和显微结构进行分析,结果表明,该铸铁搪瓷面釉中所磨加的电气石,经过涂搪烧成后,其晶体结构没有发生相变,仍为六方柱状晶体。从而得出了磨加电气石超细粉体是使该铸铁搪瓷获得负离了功能的主要原因的结论。另外,搪瓷面釉中加入超细电气石粉体后,其白度和光泽度发生变化。当电气石含量不大于10%时,所制备的含电气石搪瓷样品的白度和光泽度基本符合铸铁搪瓷釉的要求。

王克承[20]经过4年多的精心研究,用超微粉碎技术与低温烧结技术将电气石(Tourmaline)粉体应用于水质改良,设计了一套生态抑菌过滤池,这个过滤器的核心技术在于使用了电气石负离子陶瓷球作为过滤材料。它是用一种专用的液态磨,经过5道工序,将硬度7.5的宝石碾磨成d901~0.5μm的超微粉体;然后,复配纳米光催化剂,利用活性晶体载体,烧结成陶瓷球,其烧结温度低于600℃,表3是经负离子陶瓷球过滤的活化水的测试报告。

另外,人工合成负离子发生材料是采用两种或两种以上的天然矿物质,通过一定的加工而合成一种具有释放负离子和远红外功能的材料。金宗哲[21]等采用Zn O,Ca CO3和A1(OH)3相混合,所合成的负离子粉负离子的产生量约100个/cm3,6h杀菌率最大为100%,其VOC净化率最高达50%。他们还研制出一种稀土激活电气石复合粉体,用于建筑物的内墙装饰材料,室内空气负离子浓度达到室外旷野水平[22]。该空气负离子粉体用于纤维、塑料等,其负离子释放功能可达到1200个/cm3。梁金生[23]等采用新的合成方法,合成了可同时具有抗菌、活化水、辐射超强远红外、产生负离子和溶出微量元素等功能的陶瓷材料。陈荣坤[24]采用电气石、纳米Ti O2、纳米组装的无机抗菌剂、氧化铝的配比,把这几种原料混配后得到超细负离子空气净化材料。经检测,负离子发射率为2000个/cm3,将其按内墙涂料的1%添加,在面对国家标准10倍浓度的情况下,经检测120h对甲醛、氨、苯的去除率达90%以上。

4 负离子陶瓷材料的研究方向

负离子陶瓷材料是继远红外陶瓷粉之后的又一新的高技术含量产品。负离子陶瓷产品的开发应用,为陶瓷行业提供了提升产品档次、扩大市场份额、提高企业知名度的机遇,更主要的是负离子陶瓷产品为人们的日常生活提供了一种实际的、全新的、多方位的健康呵护,结合现有的研究及应用,本文认为在当前负离子陶瓷材料的研究基础上还应该加强以下几个方面的研究:

(1)负离子材料结构和性能的深入研究

负离子材料在建筑行业,纺织行业,环保等方面有着广泛的应用。人们往往重视其性能和应用,而忽略了其结构的深入研究,因此,研究发生负离子材料的结构及负离子陶瓷材料的结构将为负离子陶瓷材料的进一步开发和应用提供科学的方法和理论依据。

(2)人工合成负离子发生材料

由于常用的负离子发生材料如电气石、麦饭石等产地稀少,因此其价格昂贵。2004年4月电气石粉价格是100目:6810元/吨,200目:10310元/吨,300目:15100元/吨,400目:21100元/吨。这就极大地限制了电气石等负离子发生材料的大规模应用。采用人工合成负离子发生材料不但可以降低负离子陶瓷材料的生产成本,还将大大促进负离子陶瓷材料的大规模应用。

(3)开发新的用途

负离子陶瓷 第2篇

氧化铝透明陶瓷具有优良的力学性能以及在可见光和红外波长范围内优异的光学性能,被认为是一种非常重要的光学材料。由Rayleigh-Gans-Derbye理论的光学散射模型可知,陶瓷的散射源(如晶粒尺寸、孔隙以及晶界)是决定其光学性能的重要因素[1,2],因此,高透过性且具有优良力学性能的氧化铝必须同时满足2个微结构条件,即非常低的孔隙率(<0.05%)和小的晶粒尺寸(<1μm)。

制备高致密的细晶氧化铝陶瓷通常采用热压(HP)或热等静压(HIP)等压力辅助烧结技术。Krell等[1,2]通过热等静压在低温(1200～1300℃)成功地制备了直线透过率为50%～70%的透明氧化铝陶瓷。与HP和HIP相比,放电等离子烧结(SPS)技术具有在较低温度下短时间内制备高致密陶瓷材料的特点,因此是一种制备透明氧化铝陶瓷很有发展前景的烧结工艺。目前已报道的通过SPS制备的透明陶瓷有MgO[3]、YAG[4]、ZrO2[5]、MgAl2O4[6]和Al2O3[7,8]。

本实验通过SPS制备了高直线透过率的透明氧化铝陶瓷,研究了其光学性能,并探讨了样品在石墨模具中不同位置对其光学性能的影响。

1 实验

1.1 试样制备

以日本住友化学公司生产的纯度大于99.99%的α-Al2O3粉末为原料。将原始粉体直接置于石墨模具内,放入SPS装置(Sinter 2050, Sumitomo Coal Mining Company Ltd., Japan)的真空室中(4～6Pa),首先在3min内由室温升温到600℃,再继续在7min内升温到1300℃,然后在1min内升到最终烧结温度1350℃,保温5min。加压方法同文献[6],即采用两步加压法进行加压,保持20MPa的轴向压力直到温度到达1300℃,然后轴向压力在1min内增加到100MPa,并保持压力不变直到整个烧结过程结束,即样品在100MPa轴向压力作用于1350℃烧结5min。本实验主要研究SPS过程中样品在模具中的位置对其光学性能的影响,实验过程中样品在模具中的放置位置如图1所示。

1.2 直线透过率测试与微结构分析

采用金刚石研磨膏将所制备的透明氧化铝陶瓷双面抛光,然后采用双光束分光光度计(Lambda 19, Perkin-Elmer, Inc., USA)在可见光和近红外波长范围内(λ=200～2000nm) 测量样品的直线透过率(Tin ),再将抛光样品于1100℃热腐蚀30min,采用场发射扫描电镜(JSM-7000F, JEOL, Japan)观察其微结构。样品的晶粒尺寸d通过截线法乘以修正系数1.56计算得到[9]。

2 结果与讨论

图2为所制备的透明氧化铝圆片抛光后的实物照片。从图2中可以看到,所有样品下面的文字都能很清晰地看到。由于放电等离子烧结过程中模具的对称性,由图1可知,模具内不同位置的6个样品中,1#和6#、2#和5#、3#和4#样品的烧结环境是相同的,所以只研究1#、2#和3#样品的直线透过率和微结构。

图3为1#、2#和3#样品抛光表面的扫描电镜形貌。由图3可知,所有样品几乎都是完全致密的,其晶粒尺寸分布很窄,不同位置样品的平均晶粒尺寸比较接近,通过截线法计算的平均尺寸有少许差异,如表1所示。从晶粒测量的结果可以发现,接近压头样品的晶粒最大,模具中间样品的晶粒最小。由于是在同一个模具内一次烧结的样品,不同位置样品晶粒尺寸的不同暗示SPS过程中模具内的温度分布是不均匀的。

图4为不同位置氧化铝透明陶瓷的直线透过率。从图4中可以看出,在整个测量波长范围内样品的直线透过率都受其在模具中位置的影响,并且模具中心处样品的直线透过率最大,波长为640nm时为51%,波长为2000nm时达到84%,非常接近单晶的最大直线透过率86%。

光通过透明介质的吸收机制可由式(1)解释:

式中:d是样品的晶粒尺寸,Δn是折射系数的差值(Δn=0.0053),λ是入射光的波长。从式(1)中可以发现,影响材料直线透过率的因素主要有晶粒尺寸、晶界、第二相杂质、残余孔隙、双折射以及缺陷等[2]。本实验使用的是高纯粉体,因此不考虑杂质对光的吸收。根据Wang等[1,2,6]的研究结果可知,完全致密的SPS样品可以排除残余空隙对光的散射。另外,制备的所有样品只是在模具内放置的位置不同,因此缺陷浓度和晶界对光的吸收影响也可以不考虑。所以,实验中不同位置氧化铝透明陶瓷直线透过率的不同是由晶粒尺寸不同所引起的。

3 结论

放电等离子烧结技术可以制备出直线透过率较高(波长为640nm时为51%,波长为2000nm时为84%)的高性能透明氧化铝陶瓷,对于SPS模具内不同位置的样品,其光学性能不同,模具中心处样品的直线透过率最好。不同位置样品直线透过率的不同主要是由于模具内部的温度分布不均引起样品晶粒尺寸不同所致。

参考文献

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负离子陶瓷 第3篇

实际工程中冲蚀磨损已经成为重要零件被破坏的主要原因之一[1]。金属表面陶瓷涂层技术能将基体金属材料和表面陶瓷涂层的优点结合起来,发挥其综合优势,满足结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要。目前,常用等离子喷涂技术制备陶瓷涂层[2,3]。但是其涂层结构是层片叠加的,且涂层含有大量的气孔和微观裂纹,从而使其应用范围受限及使用寿命不长。纳米陶瓷不仅具有一般陶瓷材料的优良性质,更具有高韧性与超塑性等独特特性,为陶瓷涂层性能的提高提供了有利的条件,因此等离子喷涂纳米结构陶瓷涂层已成为当前国内外研究的热点[4,5,6]。

本工作采用等离子喷涂方法在TiAl合金表面制备了常规和纳米结构Al2O3-13%TiO2(质量分数)陶瓷涂层,对比研究了2种涂层的组织结构和结合强度,考察了抗冲蚀性能,分析了涂层的冲蚀破坏机理,以探讨纳米材料在抗冲蚀陶瓷涂层制备方面的优越性。

1 试 验

1.1 材料

基材为γ-TiAl基合金(TAC-2),冲蚀、拉伸件尺寸分别为20 mm20 mm8 mm,ϕ25 mm8 mm,名义化学成分为Ti-46.5Al- 2.5V-1.0Cr(摩尔分数,%)。喷涂过渡层粉末材料为Y2O3弥散的NiCoCrAl超合金粉末(KF-113A),粒度45～105 μm。面层喷涂粉末为粒度15～45 μm的普通商用Al2O3-13%TiO2陶瓷粉末(以下简称为AT13),形状不规则。纳米陶瓷粉末为Nanox S2613P纳米团聚体粉末,名义成分为Al2O3-13%TiO2(以下简称为n-AT13),团聚体尺寸分布范围为10～50 μm,原始纳米粒子为30～80 nm,形状为规则的球形。

1.2 涂层制备工艺和设备

全套工艺:试样打磨、除油、喷砂等预处理;喷过渡层;喷外层。喷砂采用的砂粒为刚玉砂,喷砂后工件表面粗糙度为Rz 3.2～12.5 μm;用压缩空气将黏附在工件表面的碎砂粒吹净;为了防止活化后的表面发生氧化,必须保持新鲜的表面不被污染,为此,预处理后应尽快进行涂层制备。

采用普莱克斯公司3710型等离子喷涂设备制备KF-113A过渡层及AT13/n-AT13陶瓷层,喷涂工艺参数见表1。

1.3 测试及表征

涂层结合强度测试参考GB/T 8642- 2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》的B方法进行。测试前试样用E-7胶(其抗拉强度大于70 MPa)与对偶件粘结,并置于干燥箱内固化,拉伸试验在WE-100型液压式万能试验机上进行,最终所得结合强度值为3个试样结合强度数值的平均值。

用喷砂机自行改装的冲蚀试验机室温下进行固体粒子冲蚀试验,工作原理见图1。选用天然刚玉作为冲蚀粒子(粒度150～250 μm,多棱形,2 000～2 300 HV),通过控制进气压力阀调节气流速度,利用调整自制的冲蚀夹具的角度调节支座来控制冲蚀角度。冲蚀参数:冲蚀表面尺寸ϕ17.5 mm,喷嘴内径6 mm,喷涂距离150 mm,空气压力0.6 MPa,冲蚀角度分别为30°,60°和90°,冲蚀时间30+30+60+60+60 s。用精度10-4 g的FA1004型分析天平测量试样冲蚀前后的质量(取3个试样的平均值)。利用JSM-7100F型场发射扫描电镜观察试样冲蚀前后的形貌。

2 结果与讨论

2.1 涂层组织结构

2种涂层的断面形貌见图2。由图2a可见:常规涂层由无数变形粒子相互交错,呈波浪式堆叠在一起,为典型的层状组织结构,层片之间结合不紧密,存在一些孔隙或孔洞,且分布有微裂纹。纳米涂层断面形貌(图2b)表明,涂层由纳米涂料颗粒完全熔化区和部分熔化区2部分组成;完全熔化区呈等离子喷涂态的典型片层状结构特征,这与常规等离子喷涂获得的组织结构基本相同;部分熔化区又分为亚微米A12O3粒子镶嵌在TiO2基质相的三维网状或骨骼状结构的液相(高温)烧结区和经过一定长大但仍保持在纳米尺度的残留纳米粒子的固相(低温)烧结区[7]。

2.2 结合强度

2种涂层3次拉伸的结果见表2。普通AT13涂层的平均结合强度为19.6 MPa,而n-AT13涂层的平均结合强度达到了31.5 MPa,提高了约60%。在等离子喷涂纳米团聚体粉末时,由于粉末比表面积大、活性高,而使其表面较易被加热熔融,粉末表面熔化程度较好,纳米颗粒撞击到基体或已沉积表面后变形剧烈,平铺性明显要优于常规粉末[8]。所以,纳米结构涂层与基材或过渡层的结合要好于常规等离子喷涂层,表现出较高的结合强度。另外结合强度的提高与纳米结构对涂层韧性的提高也有很大关系。

2.3 冲蚀性能

图3为2种涂层分别在30°,60°和90°冲蚀角下的冲蚀试验结果。可以看出:纳米结构涂层的冲蚀失重低于相应的常规涂层,表明纳米结构涂层具有较好的抗冲蚀性能;在30°冲蚀角下,2种涂层的失重都最小,90°冲蚀角时失重最大,即随着冲蚀角度的增加涂层失重增大,表现为典型的脆性材料冲蚀特性,纳米涂层于30°,60°及90°冲蚀240 s的失重分别为24.2,52.2,79.3 mg。

2.4 涂层冲蚀失效机理

磨粒冲击涂层表面时的速度可分解为垂直和水平分量,垂直分量主要起冲击作用,水平分量主要起切削作用。脆性AT13陶瓷涂层在低角度冲蚀时,水平方向速度分量较大,由于陶瓷涂层硬度较高,由切削作用引起的涂层冲蚀失重较小;而冲蚀粒子在垂直分量上速度较小,能量也较小,对涂层的冲击比较小。因此,低冲蚀角度下硬度较高的脆性陶瓷涂层具有较高的抗冲蚀性能。在高冲蚀角度下,垂直方向速度较大,对涂层表面的冲击很大,使得脆性涂层容易产生大量裂纹并扩展,最后导致涂层破碎和剥落。因此,在高冲蚀角下脆性陶瓷涂层抗冲蚀性能较差。

图4为常规AT13涂层冲蚀前后的表面SEM形貌。可以看出,冲蚀后的涂层表面有明显的剥落特征和一定程度的显微断裂。常规AT13涂层由结构是层片状颗粒镶嵌叠加而成,颗粒间主要靠机械铆合结合,结合力较低,颗粒结合界面处易发生破坏。在冲蚀粒子反复冲击下裂纹沿片层间未结合界面向结合界面扩展,从而造成直接受冲击的最上部的片层组织不断从涂层脱落[9,10]。

本研究采用的冲蚀设备是由喷砂机自行改装的,与ASTM-G76-83标准《固体粒子在气流中冲蚀的标准方法》相比,所用冲蚀磨粒颗粒较大,空气压力较高,相应的冲蚀能量也较大。在高能量冲蚀(高冲蚀角、大颗粒、高速度等)下,冲蚀粒子的冲击能量会使涂层不断地处于压-拉应力状态,AT13陶瓷韧性低,脆性大,不能通过塑性变形来消耗冲蚀能量,涂层容易破碎而与母体脱离失重。因此,常规AT13陶瓷涂层的冲蚀磨损以片层状脱落为主,同时有一定程度的脆性陶瓷颗粒破碎。

图5为n-AT13涂层冲蚀前后的表面SEM形貌。可见其冲蚀表面呈类似常规AT13涂层的剥落和破碎特征,只是轻一点而已;此外,冲蚀表面有明显的塑性变形(切削痕),特别是在部分熔化区(微纳米组织区),这在常规涂层冲蚀表面没有观察到,这与纳米结构对陶瓷涂层塑性和韧性的提高有关。

等离子喷涂纳米结构涂层保留了相当比例的纳米组织结构,对陶瓷涂层起到了增韧作用,这些组织可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分叉,消耗断裂能,从而提高韧性[11],这有利于纳米涂层抗冲蚀性能的提高。另外涂层抗冲蚀性能也与涂层的结合强度有关,结合强度越高,在冲蚀过程中片层状组织界面处的剥落就越不容易形成,越有利于涂层抗冲蚀性能的提高。等离子喷涂纳米涂层良好的结合提高了其抗结合层界面处产生开裂的能力,也提高了纳米结构涂层的抗冲蚀性能。

3 结 论

(1)等离子喷涂常规AT13陶瓷涂层呈典型的层状堆积特征,而纳米结构涂层由纳米颗粒部分熔化区及片层状的纳米颗粒完全熔化区组成。

(2)常规涂层表现为典型的脆性冲蚀特性,纳米结构涂层以脆性冲蚀为主,同时有一定程度的塑性冲蚀特征,表现出较好的结合强度和抗冲蚀性能。

(3)2种结构涂层的冲蚀磨损都是以片层状脱落为主,同时有一定程度的脆性陶瓷颗粒破碎。

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负离子陶瓷 第4篇

关键词：碱金属氧化物,CaO-B2O3-SiO2,玻璃陶瓷,介电性能

低介、低损耗低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)基板材料能够很好地满足微电子信息技术产业集成电路高信号、高传输速率、高集成度以及与芯片热匹配等方面要求,近年来在国内外得到广泛的应用和研究[1,2]。电子元件封装用LTCC基板材料之一CaO-B2O3-SiO2(CBS)系微晶玻璃陶瓷是一种良好的低介高频材料[3,4,5],目前已经成为了LTCC材料的研究热点之一。国内许多研究机构在对CBS微晶玻璃体系和玻璃/陶瓷复合材料体系理论研究的基础上,对其制备方法和添加剂等方面做了有意义的研究,但尚未达到实用化阶段。

碱金属氧化物是一种良好的玻璃助熔物质,碱金属离子半径不同,对玻璃软化温度、析晶性能以及电学性能等都有着不同的影响[6],但就碱金属氧化物对CBS玻璃陶瓷性能方面的影响研究较少。本实验在前期CBS玻璃陶瓷研究基础上[7,8],添加1%(质量分数,下同)的碱金属氧化物(Li2O,Na2O和K2O)进行掺杂改性,探讨碱金属氧化物对CBS玻璃陶瓷的软化析晶温度的作用机制,以及研究其对材料的烧结性能和介电性能等方面的影响。

1 实验

1.1 试样制备

以化学纯的CaCO3,SiO2,H3BO3为主要原料,按20%~40%CaO,30%~50%SiO2,10%~40%B2O3比例配基础玻璃料,并按表1所示添加不同含量的碱金属氧化物,将原料均匀混合后,置于铂金坩埚中,在1350~1450℃下熔融保温20~80min,倒入去离子水中淬冷成CBS玻璃碎片。按一定的料球水质量比,用玛瑙球做研磨介质,球磨8h后过100目筛得到实验用平均粒径为5μm的CBS玻璃粉末。加入5%的PVA进行造粒,在100MPa下压制成ϕ13mm(2~4)mm的圆片,在箱式马弗炉中经400℃排胶后在800~1000℃保温15~45min烧成。

1.2 性能测试

用阿基米德法测定试样的体积密度和吸水率;用STA449C型差热分析仪对玻璃粉进行热分析;用Agilent 4294A+16047E型阻抗分析仪测试试样在1MHz下的介电性能;用Nexus 670型红外光谱仪在400~1400cm-1波束范围内测试试样的红外振动光谱;用ARL X’TRA型X射线衍射仪和JSM-5900型扫描电子显微镜对试样进行相组成和微观形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 双碱金属氧化物对玻璃性能的影响

图1是CBS系玻璃陶瓷试样L1,L2和L3在10℃/min升温速率下测得的DSC曲线。可知试样L1的玻璃软化温度Tf为677.67℃,析晶温度Tc为803.89℃和871.67℃;试样L3的Tf为672.41℃,Tc为830.12℃和874.75℃;试样L2的Tf为668.36℃,Tc为850.49℃和898.85℃。玻璃软化温度随双碱金属离子半径增大,呈升高趋势,这是因为大半径的碱金属离子,具有较大的离子质量,在离子受热跃迁过程中比半径小碱金属离子需要更高的迁移能[9,10]。由于两种玻璃的熔制工艺和过冷度相同,则影响其析晶特性的主要因素是玻璃中的离子迁移率。随碱金属离子原子序数增大,对玻璃网络的断网作用也增大,在相同过冷度下玻璃黏度随着元素金属离子体积增大而减小,其析晶峰值温度降低[11]。

图2为不同双碱种类对CBS系玻璃陶瓷试样密度和吸水率的影响。由于L1试样析晶温度低于L2和L3,所以其烧结温度也最低。在850℃时,L1的烧结密度达到2.53gcm-3,收缩率为18.73%,吸水率为0.34%,而试样L2和L3在900℃烧成时,密度也才分别为2.46gcm-3和2.52gcm-3。可见,适量添加Na2O和K2O对于改善CBS系玻璃陶瓷烧结性能效果更好。

2.2 含双碱的玻璃陶瓷微观结构

图3是三种不同双碱组合的CBS系玻璃陶瓷红外光谱图,其中L1试样是分别在880℃和900℃烧成的,L2,L3试样是在900℃烧成的。对照矿物中原子基团振动谱表分析可知,CBS系玻璃陶瓷在这一波数范围内主要包括SiO4的伸缩振动峰和BO3的弯曲振动峰[12]。红外图谱在700~900cm-1范围内有峰差异。LiNa和LiK掺杂玻璃陶瓷体系的原子振动谱相似,但是NaK掺杂与前两者相比,在800~900cm-1范围内SiO4的伸缩振动峰减弱,在797.3~814.7cm-1范围内出现BO3弯曲振动峰。不同比例不同种类双碱的掺杂,可以认为是一种含量较少的离子取代另一种含量较多离子的过程,而离子半径总和RNaK>RLiNa,对试样结构中SiO4和BO4的断氧能力增加,造成其他自由氧离子与SiO2结合,破坏SiOSi的网络结构,形成了非桥氧使体系中游离的硅氧键增加,减弱了SiO4振动峰。

图4为试样L1,L2和L3在850℃及880℃烧成后的XRD图。可以看出,试样主晶相均为CaSiO3,CaB2O4和石英。其中880℃烧成的L1试样中CaB2O4的含量高于L2试样,这是BO3基团增加的结果,与上述红外表征结果相同,但L2中的石英相要多于L1,这是因为Li+的半径小,对SiO4的断裂能力大于Na+而引起的。对于L2和L3试样,随着烧成温度的升高,析出的晶相种类相同,但试样的析晶峰的高度却有明显增加,可见880℃时析晶更充分。

图5为L1,L2和L3试样在880℃烧成后用2%的HF腐蚀20s并抛光的表面SEM照片。比较可以发现,L1内部晶粒细小、分布均匀,晶粒被玻璃相充分包裹,结构比较致密。L2玻璃相只包裹一部分小晶粒,内部气孔较多,致密性相对较低,这一现象与图1的DSC以及图2的烧结结果是一致的。

2.3 碱金属氧化物对玻璃陶瓷介电性能的影响

图6为三种试样在880℃烧成后,在室温20℃下测定的介电常数和介电损耗在频率为1kHz~20MHz的变化趋势图。三种试样的介电常数和介电损耗均随频率的增加而减小。双碱效应中,电导性能与频率的变化关系源于介电松弛,取决于电子极化效应。在低频下,多种极化形式同时存在,导致试样介电常数及损耗偏高,但随着频率的升高有些极化速率较慢的极化来不及建立,离子跟不上电场的变动,阳离子的作用减小,介质的极化形式减少,介电常数及损耗降低。

图7是三种试样在880℃烧成,在频率为1MHz下介电常数和介电损耗随测试温度(-50~70℃)变化曲线图。随测试温度的升高,试样的介电常数略有增加,而介电损耗降低。比较三种试样在室温20℃时介电性能,介电常数大小顺序为L3>L2>L1,介电损耗大小顺序为L2>L3>L1。

3 结论

(1)对于添加双碱的CBS玻璃,软化温度随双碱金属离子半径增大,呈升高趋势,而析晶峰值温度呈降低趋势。

(2)Na2O和K2O添加对于改善CBS系玻璃陶瓷烧结性能效果更好,在850℃时,试样的烧成密度达到2.55gcm-3,收缩率为18.73%,吸水率为0.34%,试样内部晶粒细小、分布均匀、结构致密。

(3)烧成试样主晶相均为CaSiO3,CaB2O4和石英。试样的介电常数和介电损耗随频率的增加而减小。随着测试温度的升高,试样的介电常数略有增加,而介电损耗呈降低趋势。

参考文献

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