含有氧化陶瓷的具有受控热膨胀系数的复合材料及其获得方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料，包含特征在于具有负热膨胀系数的陶瓷成分和氧化陶瓷颗粒；涉及其获得方法并涉及其在微电子、精密光学、航空航天中的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种复合材料，包含特征在于具有负热膨胀系数的陶瓷成分和氧化陶瓷颗粒；涉及其获得方法并涉及其在微电子、精密光学、航空航天中的应用。
技术介绍
具有低热膨胀系数(CTE)的材料在非常不同的领域中具有宽范围的应用。在许多种精密装置中以及在高技术系统、微电子工业和精密光学中的仪表装置中需要这些类型的材料。简而言之，在其中必须保证精密元件随温度变化的尺寸稳定性的所有那些应用中，这使得必须降低形成这些元件的材料的CTE。利用不同材料制造的元件的热膨胀的不平衡也可以使用具有需要的(和均匀的)CTE的复合物的设计来解决。具有特制的CTE的这些材料 的设计可以使用具有正膨胀和负膨胀的成分的组合来处理。复合物的CTE的这种特制设计可以在不同温度下进行，从而使得具有零CTE的成分的最终应用领域取决于是否实现了用于所述应用的特定功能所需要的其他特性。锂铝硅酸盐(LAS)的陶瓷和玻璃-陶瓷的族频繁用于许多应用领域中的这种目的；从用于厨房的玻璃-陶瓷到用于人造卫星的镜子。该族的一些矿物相具有负CTE，这使得可以将它们用于具有受控的且特制的CTE的复合物中。频繁地，具有负CTE的材料具有低抗破裂性，因为它们的负值是由不同结晶取向之间的强各向异性而造成，其中负膨胀通常存在于它们的一种中，且正膨胀存在于其他两种中。各向异性通常造成微裂纹，这导致这些材料的机械性能值低的结果。然而，这些膨胀性能对于具有零CTE的复合物的制造的有用性在工程、光子、电子和/或特定的结构应用中具有宽范围的潜力(Roy, R 等人，Annual Review of Materials Science, 1989,19, 59-81 )。在 LAS 体系中具有负膨胀的相是β-锂霞石(LiAlSiO4),因为在其晶轴之一的方向上的负膨胀较大。锂辉石(LiAlSi2O6)和透锂长石(LiAlSi4Oltl)相具有接近于零的CTE。制造具有LAS组成的材料的传统方法是对玻璃进行处理以制造玻璃-陶瓷。这种方法涉及形成玻璃从而之后对结晶LAS相的随后沉积在较低温度下施加热处理，并由此控制其CTE。有时候这种方法产生不均匀的材料，并且当然，由于其是玻璃，所以与陶瓷相比，其机械性能(刚性和抵抗性)对于许多工业应用不够高。这是广泛用于大量应用中但具有过低抗破裂性和拉伸模量值的Zerodur15 (由Schott市售)的情况。因此，如果需要更好的机械性能，则玻璃-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中公开的堇青石，或者同样具有不足的机械性能的m/m·'具有低CTE的材料的制备的替代方案由将具有正热膨胀系数的第二相添加到CET为负值的LAS陶瓷基质中组成，如US6953538，JP2007076949或JP2002220277，以及专利申请P200930633的情况中那样。这后一种选择非常有趣，因为CET值和其他性能两者都可以通过在基质中添加适当比例的第二相来调节。另一方面，并且考虑到材料的最终性能是两种以上成分的组合的结果，这些复合物的主要问题在于设法在宽温度范围内控制CTE值。因此，在US6953538，JP2007076949或JP2002220277中，其中实现高尺寸稳定性的温度范围为约30-50°C。在专利申请P200930633中，扩展了用于接近于零的CTE值的温度范围。专利(US6566290B2)公开了一种具有LAS基质的复合材料，其用于汽车领域，如柴油机中的过滤器中，其中使用低CTE但是具有高孔隙率(可达到按体积计35-65%)来保护材料。这些材料不满足提高的机械性能的要求。
技术实现思路
本专利技术提供一种复合材料，其具有陶瓷基质和氧化陶瓷颗粒，其提供优异的机械和热性能以及高耐氧化性；本专利技术还提供其获得方法以及其在微电子、精密光学、航天航空中的应用。本专利技术的第一方面涉及一种材料，包含a.陶瓷成分，和b.氧化陶瓷颗粒， 其中所述材料具有-6X 10_6°C 1至6. OlXlO-6oC 1的热膨胀系数。在本专利技术中，“复合材料”被理解为由两种以上可以相互区分的成分形成的材料；它们具有由其成分的组合获得的性能，所述性能优于单独形成它们的材料。在本专利技术中，“热膨胀系数”(CTE)被理解为反映加热时材料经历的体积变化的参数。陶瓷成分优先选自Li2O = Al2O3 = SiO2或MgO = Al2O3 = SiO2，这种成分更优选为β-锂霞石或者堇青石。所述陶瓷成分相对于最终材料的比例大于按体积计O. 1%。氧化陶瓷颗粒优选为至少一种元素的氧化物，其中所述元素选自Li、Mg、Ca、Y、Ti、Zr、Al、Si、Ge、In、Sn、Zn、Mo、W、Fe 或它们的任意组合。氧化陶瓷颗粒更优先选自氧化铝(矾土)或莫来石。在氧化陶瓷颗粒更优选为尖晶石型结构的情况下，它们甚至更优先选自MgAl204、FeAl2O4或由两者的组合产生的任意固溶体。在优选的实施方式中，氧化陶瓷颗粒具有20至IOOOnm的尺寸。通过使用氧化铝(或另一种氧化成分)作为这些复合物中的第二相的本专利技术材料的优点在于在高温氧化气氛中获得和使用这些材料，同时将CTE保持在接近于零或受控的值的可能性，与纯LAS陶瓷相比，具有提高的机械性能的低密度复合物。本专利技术基于新型复合陶瓷材料，其基于具有负CTE的硅酸铝和氧化陶瓷颗粒的第二相。所述材料的最终组成可以根据所用的具有负CTE的硅酸铝的含量来进行调节，所述含量决定第二氧化相的需要量以获得具有根据期望需求的CTE的最终材料。本专利技术的第二方面涉及前述材料的获得方法，所述方法包括如下步骤a.陶瓷成分与氧化陶瓷颗粒在溶剂中的混合，b.在(a)中获得的混合物的干燥，c.在(b)中获得的材料的成形，d.在(C)中获得的材料的烧结。在步骤(a)中使用的溶剂选自水、无水醇或它们的任意组合，更优选地，所述无水醇为无水乙醇。所述步骤(a)的混合优选在100至500r. p. m下进行。这种混合可以在磨碎机中进行。复合材料的处理条件对于成形的材料的关键特征如其密度或孔隙率分布有决定性影响，且其在很大程度上决定通过固态烧结获得致密材料的可能性。在粉末混合物处理期间，必须获得各种成分的均匀分布，从而避免形成凝聚物，这在纳米粉末的情况下中是特别重要的。在优选的实施方式中，所述步骤(b)的干燥通过雾化(原子化,atomi zat i on )进行。在本专利技术中，“雾化”被理解为通过利用气流对溶液和悬浮液进行雾化而干燥的方法。所述步骤(c )的成形优选通过冷或热等静压来进行。 在本专利技术中，“等静压”被理解为通过将通常为粉末形式的材料密封装入到模具中，通过流体施加静水压(液体静压力)而进行的压制方法；由此获得的部件具有均匀和各向异性的性能。当进行冷等静压时，其更优选在100至400MPa的压力下进行。在烧结工艺下控制相的反应性使得可以在与LAS单片陶瓷相比，保持低密度和提高的机械性能与抗挠刚度的同时调节复合物的CTE。所述步骤(d)的烧结温度优选为700至1600°C。所述步骤(d)的烧结可以在不施加压力的情况下或施加单轴压力而进行。当其在不施加压力的情况下进行时，可以在常规烘箱中进行烧结，而当在烧结期间施加单轴压力时，其可以通过放电等离子烧结(火花本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉蒙·托雷西拉斯桑米兰，奥尔加·加西亚莫雷诺，阿道弗·费尔南德斯瓦尔德斯，
申请(专利权)人：西班牙高等科研理事会，
类型：
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