CN105648248B - 可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al - Google Patents

可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al Download PDF

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Abstract

本发明属于无机复合材料技术领域，具体涉及一种新型可控热膨胀复合导电陶瓷材料α‑Cu2V2O7­‑Al及其制备方法。该材料由α‑Cu2V2O7­和Al粉经固相烧结制成，其中Al粉的质量百分比在5~80%之间。制备方法中包括物料混合、压片制坯、烧结等步骤。本发明所提供的可控热膨胀复合导电陶瓷材料α‑Cu2V2O7­‑Al，制备工艺简单、成本低廉、环保无污染，适合工业化生产，材料本身同时具有膨胀系数可调节和高温导电性能良好的优点，在集成电路、光电子仪器仪表等对基材热匹配要求高、高温导电要求高的技术领域及其相关产品中具有广阔的应用前景。

Description

可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al
技术领域
本发明属于无机复合材料技术领域，具体涉及一种新型可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al及其制备方法。
背景技术
近年来，随着技术的进步和生产的需要，在精密测量和光电子仪器仪表的制造领域，对零部件的热稳定性能要求越来越高。然而自然界大部分材料具有热胀冷缩的性质，热胀冷缩在仪器仪表零部件之间会产生热应力导致仪器性能下降、寿命缩短等问题，严重的甚至会损坏仪器。
负热膨胀材料的出现和发展为解决材料间的热胀匹配提供了契机，将负热膨胀材料与正热膨胀材料复合调控材料的膨胀系数提高器件的测量精度及寿命已成为材料科学的研究热点之一，尤其是将负热膨胀材料与金属复合制备可控热膨胀、导电导热性能良好的复合材料，有望在集成电路、芯片封装等领域取得突破性进展。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al，以其能够为仪器仪表等精密设备需求提供新的选择。
本发明所采取的技术方案如下所述。
一种可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al，由α-Cu2V2O7和Al粉经固相烧结制成，其中Al粉的质量百分比在5~80%之间，铝粉质量百分比具体例如为5~70%、5~60%、5~50%、5~40%、5~30%、5~20%、5~10%、10~80%、10~70%、10~60%、10~50%、10~40%、10~30%、10~20%、20~80%、20~70%、20~60%、20~50%、20~40%、20~30%、30~80%、30~70%、30~60%、30~50%、30~40%、40~80%、40~70%、40~60%、40~50%、50~80%、50~70%、50~60%、60~80%、60~70%、70~80%等。
所述可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al的制备方法，包括以下步骤：
（1）将α-Cu2V2O7和Al粉研磨混合均匀，其中Al粉的质量百分比在5~80%之间；
（2）将步骤（1）所得混合后的物料进行压片制坯；压片制坯时压力在100~200MPa；
（3）将步骤（2）所得素坯进行烧结，610℃~660℃烧结5~10小时，优选650℃烧结10小时，自然降温后即得到可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al产品。
本发明所提供的可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al，同时具有膨胀系数可调节和高温导电性能良好的优点，应用前景广阔。本发明的有益效果具体体现在：α-Cu2V2O7-Al复合导电陶瓷材料采用固相法在空气氛围下制备，制备工艺简单、成本低廉、环保无污染，适合工业化生产。α-Cu2V2O7-Al复合导电陶瓷材料，热膨胀性能优良，其中，Al的质量分数为0.3时，RT（室温）—600℃范围内使用LINSEIS L76型热膨胀仪测得的平均线性膨胀系数为4.93×10-6℃-1，仅为铝膨胀系数(23.8×10-6℃-1)的1/5，此时利用RST5000型电化学工作站测得的阻抗约为50欧姆，导电性能较好；Al的质量分数为0.6时，RT—600℃范围内热膨胀仪测得的平均线性膨胀系数为15.9×10-6℃-1，将铝膨胀系数降低了1/3，电化学工作站测得的导纳为400毫西，几乎相当于铝的（500毫西）导电水平。因而本发明所提供的复合电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al在集成电路、光电子仪器仪表等对基材热匹配要求高、高温导电要求高的技术领域及其相关产品中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例3、5、7、9所制备复合材料的XRD图谱；
图2为实施例1、2、3、4、5、7、9所制备复合材料的SEM照片；
图3为实施例3、5、7、9所制备复合材料的DSC曲线；
图4为实施例1、2、3、4、5、7、9所制备复合材料的CTE曲线；
图5为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合材料的交流阻抗谱（因为比例尺的关系，其中实施例4、5、6、7、8、9的交流阻抗谱的详情见图5右上角的插图）；
图6为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合的导纳变化曲线（56.26赫兹）；
图7为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合材料的密度及相对密度变化曲线；
图8为实施例2、3、4、5、7、9所制备复合材料的维氏硬度变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的解释说明，以使本领域技术人员能够更好的理解和实践本发明的技术方案。
实施例1
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.05（即复合材料中Al占总质量的5%），其制备方法具体如下：
（1）将Al粉和α-Cu2V2O7在玛瑙研钵中加入适量无水乙醇，研磨1小时，确保混合均匀后在60℃烘箱中干燥30分钟，备用；
（2）将步骤（1）所得混合均匀的物料，使用769YP-15A型粉末单轴压片机在200 MPa压力下压成直径10mm，高5mm的圆柱形素胚体；
（3）将步骤（2）所得素胚体置于管式炉中，在650℃烧结10小时，自然降温即可。
实施例2
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.10（即复合材料中Al占总质量的10%）。
制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.20（即复合材料中Al占总质量的20%）。
制备方法与实施例1相同。
对所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al进行X射线衍射（XRD）谱物相分析，其结果如图1所示，经分析知，其主要成分为α-Cu2V2O7和Al。
实施例4
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7—Al中Al的质量分数为0.30（即复合材料中Al占总质量的30%）。
制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.40（即复合材料中Al占总质量的40%）。
制备方法与实施例1相同。
对所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al进行X射线衍射（XRD）谱物相分析，其结果如图1所示，经分析知，其主要成分为α-Cu2V2O7和Al。
实施例6
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.50（即复合材料中Al占总质量的50%）。
制备方法与实施例1相同。
实施例7
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.60（即复合材料中Al占总质量的60%）。
制备方法与实施例1相同。
对所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al进行X射线衍射（XRD）谱物相分析，其结果如图1所示，经分析知，其主要成分为α-Cu2V2O7和Al。
实施例8
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.70（即复合材料中Al占总质量的70%）。
制备方法与实施例1相同。
实施例9
本实施例所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al中Al的质量分数为0.80（即复合材料中Al占总质量的80%）。
制备方法与实施例1相同。
对所制备的新型复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al进行X射线衍射（XRD）谱物相分析，其结果如图1所示，经分析知，其主要成分为α-Cu2V2O7和Al。
扫描电子显微测试
图2为实施例1、2、3、4、5、7、9所制备复合材料的SEM照片，可以看出，随着铝含量的增加，复合材料中的分子空隙明显减少。
热稳定性测试
图3为实施例3、5、7、9所制备复合材料的DSC曲线，可以看出，在RT（室温）—550℃范围内材料保持稳定，在550℃的位置有微弱的放热峰，是因为少量表面的铝发生氧化，随后直到660℃左右有个吸热峰，这是铝融化的原因。
热膨胀性能测试
图4为实施例1、2、3、4、5、7、9所制备复合材料的CTE曲线，可以看出，随着铝含量的增加，材料热膨胀系数从负到正逐渐变化，且软化温度逐渐提高（见图中箭头所示），其中实例3、4在RT—600℃测量范围内的平均线性热膨胀系数分别仅有1.94×10-6℃-1和4.93×10-6℃-1，与铝(23.8×10-6℃-1)相比大大降低，使得解决铝基材料与其它基材之间的热应力成为可能。
导电性能测试
图5为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合材料的交流阻抗谱（因为比例尺的关系，其中实施例4、5、6、7、8、9的交流阻抗谱的详情见图5右上角的插图），可以看出，复合材料在铝含量小于20 wt%时，样品具有一定的半导体性质，极低频表现出一定的电容性质，随着频率的增大迅速变为阻性；在铝含量大于20 wt%时表现为纯阻性。
图6为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合的导纳变化曲线（56.26赫兹），可以看出，材料在铝含量大于20 wt%时，导纳迅速增大，实例8、9的导纳甚至超过了纯铝。
密度测试
图7为实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9所制备复合材料的密度及相对密度变化曲线，可以看出，复合材料中随着铝含量的增加，密度逐渐变小，相对密度逐渐变大。二阶多项式拟合的复合材料密度、相对密度与铝含量的经验公式分别为：ρ=3.09-9.15×10-3 x+4.39×10-5 x 2，d=76.6-1.46×10-2 x+2.18×10-3 x 2。
Vickers-hardness硬度测试
图8为实施例2、3、4、5、7、9所制备复合材料的维氏硬度变化曲线，可以看出，复合材料中随着铝含量的增加，维氏硬度逐渐降低，表现出一定的韧性。指数拟合的复合材料维氏硬度与铝含量的经验公式为：HV=20e-4.35x +34。

Claims (5)

1.一种可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al，其特征在于，该材料由α-Cu2V2O7和Al粉经固相烧结制成，其中Al粉的质量百分比在10~40%之间；具体制备方法如下：
（1）将α-Cu2V2O7和Al粉研磨混合均匀；
（2）将步骤（1）所得混合后的物料进行压片制坯，获得素坯；
（3）将步骤（2）所得素坯于650℃烧结10小时，降温后即得到可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al。
2.如权利要求1所述可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al，其特征在于，Al粉的质量百分比为20%或30%。
3.权利要求1~2任一项所述可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将α-Cu2V2O7和Al粉研磨混合均匀；
（2）将步骤（1）所得混合后的物料进行压片制坯，获得素坯；
（3）将步骤（2）所得素坯于650℃烧结10小时，降温后即得到可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al。
4.如权利要求3所述可控热膨胀复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al的制备方法，其特征在于，步骤（2）中压片时压力为100~200MPa。
5.权利要求1或2所述复合导电陶瓷材料α-Cu2V2O7-Al作为导电材料的应用。
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