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    流延成型:超薄陶瓷基片的重要生產(chǎn)工藝

    流延成型:超薄陶瓷基片的重要生產(chǎn)工藝

    編輯:轉自:先進(jìn)陶瓷展 發(fā)布時(shí)間:2024-05-13
    高性能陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等特點(diǎn),廣泛應用于能源、信息、航空航天、電子、生物和醫學(xué)等領(lǐng)域。陶瓷成型方法是決定陶瓷性能的一個(gè)重要因素,而流延成型是目前生產(chǎn)電子陶瓷薄片常用的方法之一。
    流延成型

    流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑等成分,得到分散均勻的穩定漿料,在流延機上制得所需厚度薄膜的一種成型方法。


    圖片

    流延成型裝置示意圖


    與其他成型工藝相比,流延成型具有很多優(yōu)點(diǎn):設備工藝簡(jiǎn)單,可連續生產(chǎn);可制備單相或復相陶瓷薄片材料;產(chǎn)品的缺陷小,性能均一,生產(chǎn)效率高,可連續操作;均可大、小批量生產(chǎn),適于工業(yè)生產(chǎn)。流延成型最大的特點(diǎn)就是它非常適用于大型薄板的陶瓷部件的制備,是壓制或者擠壓成型工藝很難實(shí)現的。但是,流延成型也存在著(zhù)一些問(wèn)題,主要是粘結劑含量較高,因此在排膠過(guò)程中坯體收縮率較大,薄板容易產(chǎn)生開(kāi)裂、卷曲、厚度不均勻等缺陷。

    流延成型工藝流程

    流延成型最早應用于造紙、油漆和塑料等領(lǐng)域,是一種歷史悠久的成型技術(shù),主要包括制備漿料、球磨混合、成型、干燥、排膠和燒結等過(guò)程。


    圖片

    流延成型制備陶瓷基片的工藝流程圖

    首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑(水或有機溶劑)中,通過(guò)球磨或超聲波振蕩打開(kāi)顆粒團聚,并使溶劑潤濕粉體,再加入粘結劑和增塑劑,通過(guò)二次球磨得到穩定、均一的漿料;再將漿料在流延機上進(jìn)行成型得到素坯;然后進(jìn)行干燥,使溶劑蒸發(fā),粘結劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結構,得到素坯膜;接著(zhù)對素坯膜進(jìn)行機加工,得到所需要的特定形狀;最后通過(guò)排膠和燒結處理得到所需要的成品。

    流延成型工藝分類(lèi)

    流延成型按漿料選用的溶劑及有機添加物不同,流延成型可以分為水基流延體系和有機流延體系兩大類(lèi)。隨著(zhù)流延成型技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善,近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)了凝膠流延成型、紫外引發(fā)聚合流延成型、等靜壓流延成型等一系列特殊的流延成型方法。

    01 有機流延成型

    有機溶劑流延成型技術(shù)在陶瓷制備的應用上已經(jīng)較成熟。由于有機溶液沸點(diǎn)低,有利于坯體的干燥,同時(shí)有機溶液對于聚合物黏結劑、增塑劑等具有很好的溶解性,且不會(huì )與陶瓷顆粒發(fā)生水解反應,可保證漿料的穩定性,所以有機流延成型的陶瓷生坯,內部結構均勻、強度高、柔韌性好、便于切割和加工。目前,有機流延成型是流延成型中應用最為廣泛的工藝,尤其在工業(yè)生產(chǎn)中最為常見(jiàn)。

    由于有機溶劑的相容性、易揮發(fā)、低蒸發(fā)潛熱、低表面張力以及可防止陶瓷粉體水化等特點(diǎn),因此,有機流延成型體系添加劑選擇范圍較廣泛、溶劑揮發(fā)快、干燥時(shí)間短,易得到結構均勻、坯體缺陷尺寸較小、強度高柔韌性好的陶瓷薄板。但有機溶劑具有一定的毒性,不可避免地給人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)危害,且生產(chǎn)成本較高,成品有機物含量較高、密度較低、排膠過(guò)程易開(kāi)裂。

    02 水基流延成型

    傳統有機流延成型已經(jīng)比較成熟,在陶瓷領(lǐng)域應用較為廣泛,如制備AlN基板等,但是由于有機流延成型所使用的溶劑有毒,對人體和環(huán)境有一定的危害,因此開(kāi)始逐漸將注意力轉向環(huán)保低廉的水基體系。水基流延成型以水作為溶劑,以水溶性高分子為黏結劑,克服了有機流延體系對環(huán)境有危害、成本高、成品密度低等缺點(diǎn),適合應用于大規模生產(chǎn)。

    但是由于水為高介電常數的極性分子,與水相溶的有機物(分散劑、粘結劑、增塑劑)的選擇上要遠遠少于有機體系,同時(shí)還要確保選擇的有機物能夠在水中形成穩定的均一漿料。常用的黏結劑有聚乙烯醇(PVA)、纖維素(MC)和聚丙烯酸(PAA)等,常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、丙三醇(甘油)、聚乙二醇(PEG)等。同時(shí)還存在以下問(wèn)題:

    ● 漿料除泡困難,影響坯片的質(zhì)量;

    ● 水基蒸發(fā)速度低,干燥時(shí)間長(cháng);

    ● 粘結劑含量高,排膠時(shí)素坯收縮率大;

    ● 水對陶瓷粉料的潤濕性較差,且水中的氫鍵易導致粉末的團聚;

    ● 水基漿料對流延工藝參數變化較敏感,導致很難形成光滑無(wú)缺陷的陶瓷薄膜;

    ● 素坯坯片韌性較差,強度不高,干燥時(shí)容易開(kāi)裂等。

    03 凝膠流延成型

    凝膠流延成型是將凝膠注模固化機理與流延成型方法結合在一起的一項新工藝,是利用有機單體聚合原理進(jìn)行流延成型。該法是將陶瓷粉料分散于含有有機單體交聯(lián)劑的水溶液中,制備出低粘度、高固相體積分數的濃懸浮體(體積分數大于50%),然后加入引發(fā)劑和催化劑,在一定的溫度條件下引發(fā)有機單體聚合,使懸浮體粘度增大,從而導致原位凝固成型,得到具有一定強度、可進(jìn)行機加工的坯體。

    所使用的漿料由陶瓷粉、有機單體、交聯(lián)劑、溶劑、分散劑、塑性劑等組分配制而成??蓸O大地降低漿料中有機物的使用量,提高漿料的固相含量,從而提高素坯的密度和強度,大大減輕環(huán)境污染,并顯著(zhù)降低生產(chǎn)成本。

    陶瓷粉體對流延成型的影響

    陶瓷粉體是流延成型漿料的主要部分,陶瓷粉體的性質(zhì)直接影響最終產(chǎn)品的性能。流延成型工藝需考慮陶瓷粉體的以下特征:

    ① 純度

    陶瓷粉體的化學(xué)組成對最終產(chǎn)品的性能有直接的影響,粉體中的雜質(zhì)勢必會(huì )導致坯體性能下降;

    ② 顆粒尺寸及其分布

    顆粒越細,一方面越有利于致密堆積,另一方面表面能越高,燒結過(guò)程中具有更大的驅動(dòng)力,都有利于得到致密的產(chǎn)物;

    ③ 比表面積

    粉體顆粒越小,其比表面積越大,但高比表面積的粉體(大于20m2/g)對分散劑/溶劑組合和分散劑濃度的選擇造成一定困難,一般比表面積在5-15m2/g之間比較合適;

    ④ 團聚程度

    陶瓷粉料中不能有硬團聚,硬團聚對顆粒堆積和材料燒結后的性能產(chǎn)生不良影響;

    ⑤ 顆粒形貌

    球形的顆??梢员WC較高的致密度,但有時(shí)為了使產(chǎn)品具有特別的物理性能(如介電和壓電常數),也會(huì )選擇各非球形的顆粒。


    應  用

    流延成型法由于具有設備簡(jiǎn)單、可連續操作、生產(chǎn)效率高、坯體性能均一等特點(diǎn),已成為制備大面積、超薄陶瓷基片的重要方法,被廣泛應用在電子工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域。

    圖片

    可用于獨石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結構陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體,混合集成電路基片等的制作,而在手機陶瓷蓋板領(lǐng)域也有應用。

    聲      明:文章內容來(lái)源于先進(jìn)陶瓷展。如有侵權,請聯(lián)系小編刪除,謝謝!








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