氧化铝有着非常(chang)多的相态,即(ji)α-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3、δ-Al2O3、θ-Al2O3、χ-Al2O3、κ-Al2O3等。不同晶型由于其晶体(ti)结构的差异而表现出不同的性能,应(ying)用在不同的领域。而α-Al2O3作为铝的(de)氧化物中最为稳定的(de)晶相,以其独特优势(shi),在电子领域备受关注。
图1、α—Al2O3粉体(ti) 来源:百度百科
一、α—Al2O3的结(jie)构及其特性
在α—Al2O3的晶体(ti)结构中,由3个氧原子组成的面是两相邻接的八面体所共有,整个晶体可以看成无数八面体[AlO6]通过共面(mian)结合而成的大“分子”,这一结构使得α-氧化铝的稳定性大。同时这种(zhong)紧(jin)密堆积结构,Al-O化学(xue)键很(hen)强,晶格能很(hen)大,使得α-Al2O3的熔点(dian)高达(da)2050℃,莫(mo)氏硬度高达(da)9,并且α相具有耐酸碱、绝缘(yuan)性能好﹑耐高温﹑导(dao)热率高(gao)等(deng)优点,因此应(ying)用也最(zui)多。
图(tu)2、α—Al2O3的结(jie)构示意图和主要性质(zhi)
二、α—Al2O3的制备方法
目前,α-Al2O3的制备方法(fa)有固(gu)相(xiang)、液相(xiang)以及气(qi)相(xiang)三种,固(gu)相(xiang)、液相(xiang)合成方法(fa)中分(fen)别主(zhu)要以机械研磨法(fa)、燃烧(shao)法,和溶胶-凝胶法、沉淀法制备(bei) α-A12O3粉末(mo),气相合成方(fang)法(fa)则(ze)主要是(shi)通过化(hua)学(xue)气相(xiang)沉积法制(zhi)备氧化(hua)铝(lv)薄(bo)膜。基于(yu)这些(xie)方法可使(shi) α-A12O3制备满足多个领域的应用,所以针(zhen)对制备过程中α-A12O3晶粒的影响(xiang)因(yin)素,如(ru)温(wen)度、pH 值、矿化剂类型等,已经存在较为成熟的研究结论。
图3、α—Al2O3的制备方法
(1)固相合成法
固相(xiang)合成(cheng)方法通(tong)常是以工业氧(yang)(yang)化铝(lv)或(huo)氢氧(yang)(yang)化铝(lv)为(wei)原(yuan)料,经过(guo)高温煅烧(shao)后生成(cheng)α—Al2O3。但煅烧温度过高会引起氧(yang)化铝粒(li)径增大(da)和颗粒(li)聚集(ji)现象,导致α—Al203的(de)高(gao)温性(xing)能受到较大影响(xiang),因此通常(chang)采(cai)用机械球磨(mo)或加入矿化剂的方法来改(gai)善(shan)产品的质量(liang)。加(jia)入(ru)矿化(hua)剂(ji)的(de)主要(yao)目的(de)是去除产(chan)品中(zhong)的(de)金(jin)属氧化物,降低相变(bian)温(wen)度,控制晶粒尺寸和形貌。
(2)液相制备
工业氧化(hua)(hua)铝(lv)中存(cun)在碱金属(shu)氧化(hua)(hua)物(尤其是Na2O)等(deng)杂质,为了改(gai)善这种情况,通常采(cai)用(yong)溶胶(jiao)凝胶(jiao)法(fa)以铝盐与(yu)酸(suan)或碱反应制备(bei)氧化铝前体,然后高温煅烧制备(bei)α—Al2O3。这种方(fang)法的煅烧温度低,得到的氧化(hua)铝(lv)纯度高。但制备工艺(yi)复杂,对原料纯度要求高。在溶胶(jiao)-凝胶(jiao)法制备α—Al2O3的过程中添加α—Al2O3晶(jing)种是(shi)很常见的(de)一种方法,目的(de)是(shi)为了(le)让氧化铝从θ相转变为(wei)α相。
(3)气相制备
化(hua)学气相(xiang)淀积(ji)(CVD) 在气相合成中是最为经典的方法,利用气体,或者通过一定的方法加热,使物质转变为气体,在气态下两种或两种以上材料发生物理或化学反应,形成新材料,新材料沉积到晶片表面,在冷却过程中凝聚长大,形成超细粉体的过程。该方法常用于制备适用于航空航天(tian)领域的α-Al2O3涂(tu)层(ceng)材料。
三、α—Al2O3电子领域的应用
(1)环氧复合绝缘材料
因(yin)α—Al2O3的(de)绝缘(yuan)性能(neng)好﹐且和环(huan)氧树脂(zhi)有较好的(de)相容性,填充(chong)到环(huan)氧树脂(zhi)中(zhong)可以起到颗粒(li)补(bu)强作用﹐并能提(ti)高导(dao)热(re)能力(li)﹐因此(ci),可以和环(huan)氧树脂(zhi)制备成复合(he)材料(liao),应用(yong)到高压(ya)绝缘(yuan)材料(liao)﹐比如高压(ya)开关盆式绝缘(yuan)子、高压(ya)互感器(qi)、绝缘(yuan)拉杆、环(huan)氧套管等,电压(ya)等级从110~1000kV。
图4、高压开关用盆式绝缘子
(2)电子(zi)陶瓷
α—Al2O3不但具(ju)有良好的成(cheng)瓷性能﹐且具(ju)有高电阻率(lv)、高热导率(lv)、低(di)介电常数(shu)、介电损耗(hao),因此被制(zhi)备成不同的电子陶瓷﹐主要用于电子封装、真空灭弧室、行(xing)波(bo)管﹑点火器(qi)等。
电气陶瓷其中之一就是(shi)集成电路基(ji)板﹐随着电子技术的发展﹐不断推出多层(ceng)共烧技术(HTCC、LTCC),进(jin)一(yi)步(bu)提高了集成(cheng)电路的小型(xing)化,氧化铝陶瓷基片已成为(wei)应用最(zui)广泛的电子陶瓷,占电子陶(tao)瓷基片的90%,已成为电子工业(ye)不可或缺(que)的材料(liao)。
图5、氧化铝陶瓷电路板 来源:同达鑫官网
(3)导热绝缘材料
α—Al2O3不但具有良好(hao)的(de)绝缘(yuan)性(xing)能﹐且热(re)导率为30 W /(m∙K),相(xiang)对氮(dan)化铝(lv)﹑氮(dan)化硼等(deng)性价(jia)比高,且在(zai)硅(gui)胶(jiao)﹑硅(gui)油体(ti)系(xi)有良好(hao)的分散性(xing)能,因此,在电子(zi)导热(re)绝缘领域占有很大的比重,常用于导(dao)热硅(gui)胶片、导(dao)热灌封胶﹑导(dao)热硅(gui)脂等材料。
导热(re)(re)硅胶垫能够(gou)填充到(dao)电(dian)子(zi)元件和壳体或散热(re)(re)器的缝隙中﹐起到(dao)散热(re)(re)作用(yong),同时还起到(dao)绝(jue)缘﹑减震﹑密封(feng)等作用(yong)。导热(re)(re)灌封(feng)胶用(yong)于(yu)封(feng)装电(dian)子(zi)元器件﹑线路等,提高整(zheng)体(ti)性和(he)耐候性及抗(kang)震等性能。导热(re)硅脂主(zhu)要是由氧化铝和(he)硅油配制,并加有(you)稳定剂和改性添加剂,调配成均(jun)匀的膏状物质(zhi),用(yong)于散热器和器件之(zhi)间。
图6、 导热硅胶垫片 来源:中铝郑州研究院
(4)电子玻璃
LCD(液晶)玻(bo)璃(li)基板(ban)是一种区别(bie)于普通玻(bo)璃(li)的电(dian)子(zi)玻(bo)璃(li),是平板(ban)显示的关键基础材料之一,其表(biao)面极(ji)其平整,厚度为(wei)0.1~0.7 mm。不但表(biao)观质量要求(qiu)苛刻,而且(qie)还要求(qiu)极低的膨胀系数,良好的化学稳定性(xing)﹑高的机械强度等(deng),是一种制备技术要求极高的材(cai)料。LCD玻璃属于无碱铝硼硅酸盐玻璃,即为SiO2一Al2O3一B2O3一RO体系(RO为碱土金属),因此要求其中的氧化铝为低钠α—Al2O3。
图7、液晶玻璃基板 来源:洛阳古洛玻璃有限公司
(5)锂离子(zi)电(dian)池(chi)
α—Al2O3在(zai)锂(li)离子电池(chi)领域应用量(liang)最大的是(shi)隔膜涂层,即将α—Al2O3粉体均匀的涂覆在一层有(you)微孔(kong)结构的聚烯烧薄膜表面,用于(yu)隔离(li)正负(fu)极防止短(duan)路,但又能保(bao)证锂离(li)子自由通(tong)过。涂覆氧化(hua)铝后(hou)﹐耐(nai)温可(ke)达180℃,而且(qie)极大地减小了收(shou)缩率,同(tong)时提高耐(nai)刺(ci)穿能力(li)和吸液率,有(you)效提高电池安(an)全(quan)性能。
图8、锂电池概念图 来源中国电池网
总(zong)结(jie)
用于电子(zi)领域的α—Al2O3粉体(ti)要(yao)求也越来越高。更(geng)高品质的(de)产品和产品指标的(de)稳(wen)定将(jiang)是未(wei)来的(de)发展趋势。
(1)产品更(geng)高(gao)的纯度意(yi)味(wei)着(zhe)电气(qi)元器件更(geng)高(gao)的可靠度,随着电气元器件的(de)小型化,要(yao)求(qiu)α—Al2O3具(ju)有更高的纯度,尤其是异(yi)物的(de)含量将要求越(yue)来越(yue)高(gao)。
(2)高(gao)性能的亚微米α—Al2O3在未来高端电子(zi)应用领(ling)域有着较强(qiang)的优(you)势(shi),更高转化(hua)率(lv)、小比表面积的亚微米粉体(ti)(ti)将(jiang)是技术发展趋势。
(3)除了对产品理(li)化(hua)指(zhi)标的严(yan)格(ge)控(kong)制之外,作为电(dian)子领域(yu)应用的α—Al2O3,其产(chan)品的(de)批一(yi)致性和稳定性越来越受到(dao)关注,成为产品质量重要的衡量指标。
参考来(lai)源:
1、低钠α—Al2O3在电子领域(yu)的应用 李建忠等
2、微波辅助制备高纯α—Al2O3粉体(ti)工艺及其性能研究(jiu) 赵天歌
3、α—Al2O3相变机(ji)理及制备工艺研究(jiu)进展 吴宇峰等
作者:晴(qing)天
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