專利名稱：一種電子陶瓷材料的高低溫循環(huán)燒結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及電子陶瓷材料的燒結(jié)方法。
背景技術(shù)：
電子陶瓷材料是近幾十年來國內(nèi)外發(fā)展極為迅速的功能材料之一，其特點是各種 電學(xué)特征及參量隨環(huán)境的物理量(如溫度、濕度、電場、磁場等)的變化而變化。利用電子 陶瓷材料的這些特性可以制成各種功能電子元器件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)以及 國防建設(shè)等各個領(lǐng)域，對推動人類社會的科技進步與發(fā)展起到了很大的作用。電子陶瓷材料的性能主要由其成分組成和微觀結(jié)構(gòu)來共同決定，而燒結(jié)工藝又是 決定陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。因此，燒結(jié)工藝對電子陶瓷材料各種性能的影響舉足輕重。 對大多數(shù)電子陶瓷材料而言，燒結(jié)的主要目的是將成型好的坯體在高溫下轉(zhuǎn)化成致密化結(jié) 構(gòu)的瓷體。此外，一些電子陶瓷材料根據(jù)應(yīng)用的需要，還希望在燒結(jié)致密化過程中，同時也 能獲得生長比較均勻且平均晶粒尺寸較大的微觀結(jié)構(gòu)，以改善電子陶瓷材料的部分電磁性 能。如為了獲得高磁導(dǎo)率的鐵氧體陶瓷材料，不僅希望材料能夠獲得盡量高的燒結(jié)密度 (致密化程度好)，同時要求晶粒生長均勻，平均晶粒尺寸大且內(nèi)陷氣孔或缺陷少。但是，要 同時兼顧材料高致密化和并獲得生長均勻、氣孔和缺陷含量少的大晶粒微觀結(jié)構(gòu)是一件很 困難的事。因為電子陶瓷材料的燒結(jié)致密化過程主要由晶界的擴散過程來決定，而晶粒的 生長則主要由晶界的遷移過程來決定。這兩種機制在材料燒結(jié)過程中開始的時間、對能量 的需求以及進展的速率都存在差異，因此很難保證材料在燒結(jié)致密化過程中，晶粒也能夠 均勻的長大。目前，常規(guī)的電子陶瓷材料燒結(jié)過程如圖1所示，即按一定的升溫速率升溫至 最高溫度，保溫一段時間后降溫。在整個燒結(jié)過程中，保溫部分是有助于材料的致密化和晶 粒生長的，但這很容易造成晶界遷移速度超過晶界的擴散速度，導(dǎo)致部分氣孔還來不及排 除就被包覆在晶粒內(nèi)部，不僅使得材料的致密化效果不好，而且晶粒內(nèi)缺陷多、晶粒不易生 長均勻，電磁性能也大受影響。而延長保溫時間不僅效率較低，而且在較低的燒結(jié)溫度下延 長保溫時間，晶粒生長的效果也不太好。2000年美國I. Wei Chen等人在Nature (Nature, VOL. 404,168-171)上發(fā)表論文，提出了 一種新穎的兩步燒結(jié)法來進行電子陶瓷材料的燒 結(jié)，其燒結(jié)過程如圖2所示，即先升溫至一個較高的燒結(jié)溫度，使陶瓷晶界獲得足夠的能量 發(fā)生擴散，然后迅速降溫至一個較低的溫度進行保溫，使晶界擴散由于毛細管力的作用能 夠繼續(xù)進行，材料能夠繼續(xù)不斷的致密化，而晶界的遷移則由于能量不足而“凍結(jié)”，因此晶 粒尺寸不再長大。采取這種方式能夠獲得致密化、小晶粒的電子陶瓷材料，在某些應(yīng)用領(lǐng)域 有十分重要的價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的 在于克服現(xiàn)有電子陶瓷材料燒結(jié)方法在兼顧材料高致密化和均勻 大晶粒微觀結(jié)構(gòu)方面的不足，提供一種高低溫循環(huán)燒結(jié)的方法，能夠更好地兼顧電子陶瓷 材料高致密化和均勻大晶粒生長的要求，改善電子陶瓷材料的部分電磁性能，滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需求。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種電子陶瓷材料的高低溫循環(huán)燒結(jié)方法，如圖3所示，包括升溫過程、燒結(jié)過程和降溫過程；所述燒結(jié)過程為一種高低溫循環(huán)燒結(jié)過程首先使得燒結(jié)對象(電子陶瓷材 料)在高溫點Tl下保溫較短的時間tl，然后將燒結(jié)對象迅速降溫至低溫點T2并保溫較長 的時間t2 ；再將燒結(jié)對象升溫至高溫點Tl并保溫較短的時間tl，然后將燒結(jié)對象迅速降溫 至低溫點T2并保溫較長的時間t2 ；如此循環(huán)數(shù)次。其中，高溫點Tl的選擇應(yīng)確保升溫到Tl時電子陶瓷材料已獲得超過70%的理論 密度，這樣電子陶瓷材料中的氣孔會處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，在毛細管力的作用下，在隨后 較低的溫度下仍然能夠通過晶界擴散來逐漸排除。低溫點T2的選擇應(yīng)確保晶界的遷移過 程已基本停止，而晶界擴散過程仍然能夠進行。其中，高溫點Tl下較短的保溫時間tl以不超過5分鐘為宜；低溫點T2下較長的 保溫時間t2以tl的2 10倍為宜。本發(fā)明的工作機理可以描述如下首先，燒結(jié)對象在高溫點Tl下，電子陶瓷材料的致密化和晶粒生長同時進行，且 晶粒生長的速率超過了材料致密化的速率；由于高溫點Tl的選擇是確保燒結(jié)對象升溫至 Tl時電子陶瓷材料僅達到不低于70%的理論密度，此時電子陶瓷材料中的氣孔處于一種 不穩(wěn)定的狀態(tài)，在毛細管力的作用下，在隨后較低的溫度下仍然能夠通過晶界擴散來逐漸 排除?；蛘咭部烧J為當將燒結(jié)對象降溫至低溫點T2并在低溫點T2下保溫過程中，晶界擴 散能夠繼續(xù)，而晶界的遷移基本停止，燒結(jié)對象中的氣孔逐步排除，致密化程度逐漸提高， 而晶粒則幾乎不生長。而在低溫點T2下保溫過程中，由于電子陶瓷材料中的氣孔和缺陷在 T2保溫時由于晶界的擴散已排除了一部分，此時電子陶瓷材料中晶界擴散和晶界遷移的進 展程度又基本一致了。因此再升溫到Tl重新開始晶界的遷移過程，晶粒繼續(xù)生長時，出現(xiàn) 內(nèi)陷氣孔和不均勻性的現(xiàn)象能夠大為降低。由于在高溫點保溫時晶界的遷移速率是超過晶 界的擴散速率的，因此，在Tl保溫一段時間后，又將燒結(jié)溫度降低至低溫點T2進行保溫，以 使晶界的擴散過程能夠趕得上晶界的遷移過程。如有必要，此后還可以再升溫至Tl溫度保 溫，后再降溫至T2保溫，如此循環(huán)數(shù)次，以盡量使電子陶瓷材料中晶界的擴散過程與晶界 的遷移過程進展程度相當，這樣電子陶瓷材料中的氣孔和缺陷才能夠盡可能的排除，同時 晶粒也能逐步的均勻生長，不會出現(xiàn)由于晶界遷移速度超過晶界的擴散速度而產(chǎn)生內(nèi)陷氣 孔或缺陷的現(xiàn)象。最終獲得致密化、均勻大晶粒的電子陶瓷材料。需要強調(diào)說明的是①在高低溫循環(huán)燒結(jié)法中，高溫點Tl的選擇需確保電子陶瓷材料在最初升溫至 此溫度點時，密度能夠達到陶瓷理論燒結(jié)密度的70%以上，這樣才能確保電子陶瓷材料中 的氣孔處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，而后能夠在毛細管力的作用下，在較低的溫度點T2也能持 續(xù)的排除，維持晶界的繼續(xù)擴散。②低溫點T2的選擇主要需確保晶界擴散能夠繼續(xù)，而晶界的遷移基本停止。這樣 電子陶瓷材料可以繼續(xù)致密化，而晶粒則幾乎不生長。③材料在Tl或T2溫度點的保溫時間可以靈活調(diào)節(jié)，且高低溫循環(huán)燒結(jié)的次數(shù)也 可靈活調(diào)節(jié)，視材料致密化和晶粒生長的進程來定。在高溫點Tl保溫時，材料致密化和晶粒生長在同時進行，且晶粒生長的速率超過了材料致密化的速率。而在低溫點T2保溫時， 只有材料的致密化在進行，而晶粒幾乎不生長。因此適當調(diào)節(jié)Tl和T2的保溫時間，以及調(diào) 節(jié)高低溫循環(huán)燒結(jié)的次數(shù)，可以比較靈活的控制材料致密化和晶粒生長的進程，使兩者基 本保持一致，從而獲得需要的材料微觀結(jié)構(gòu)和性能。


圖1是常規(guī)的電子陶瓷材料燒結(jié)過程示意圖。圖2是兩步燒結(jié)法電子陶瓷材料的燒結(jié)過程示意圖。圖3是本發(fā)明高低溫循環(huán)燒結(jié)過程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合一個優(yōu)選實施及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施 方式不限于此。該具體實施方式
采用的是尖晶石的MCuZn鐵氧體陶瓷材料。采取相同的配方和 工藝制備出NiCuZn生坯環(huán)狀樣品后，樣品1按2. 50C /分鐘的升溫速率升溫至1100°C保 溫3小時后，隨爐自然冷卻至常溫。樣品2按2. 5°C /分鐘的升溫速率升溫至1200°C保溫 3小時后，隨爐自然冷卻至常溫。樣品3則先按2. 5°C /分鐘的升溫速率升溫至1200°C，保 溫5分鐘后，迅速冷卻至1100°C (耗時5分鐘)。在1100°C保溫35分鐘后，又快速升溫至 12000C (耗時15分鐘)。在1200°C保溫5分鐘后，又迅速冷卻至1100°C (耗時5分鐘)， 在1100°C保溫35分鐘后，又迅速升溫至1200°C (耗時15分鐘)。然后在1200°C保溫5分 鐘后，又迅速冷卻至iioo°c (耗時5分鐘)，在iioo°c保溫35分鐘后，隨爐自然冷卻至常
ilm ο通過對三組樣品微觀結(jié)構(gòu)進行檢測分析，樣品1的平均晶粒尺度低于1 μ m，燒結(jié) 密度僅為理論密度的85% 86%，表明1100°C燒結(jié)時晶界擴散能夠進行，但效率較低，不 足以讓樣品獲得足夠高的致密度，而晶界遷移則幾乎未開展，晶粒尺寸比生坯中粉料的尺 寸大不了多少。樣品2的平均晶粒尺度超過了 40 μ m，出現(xiàn)了異常晶粒生長，大晶粒內(nèi)部有 很多的內(nèi)陷氣孔。燒結(jié)密度達到為理論密度的95% 96%，表明此時晶界擴散和晶界遷移 都進展得很迅速，且晶界遷移的速率在高溫下超過了晶界擴散的速率，導(dǎo)致部分氣孔來不 及排除就包覆在晶粒內(nèi)部。第三組樣品的平均晶粒尺度在10 μ m左右，且晶粒生長比較均 勻，幾乎無內(nèi)陷氣孔出現(xiàn)，燒結(jié)密度達到了理論密度的98%左右。通過對所有樣品進行磁譜 曲線的測試，樣品1由于燒結(jié)致密化程度不夠且晶粒太小，磁導(dǎo)率最低。樣品2雖然可以獲 得較高的磁導(dǎo)率，但由于出現(xiàn)巨晶生長，且晶粒內(nèi)部氣孔等缺陷多，磁導(dǎo)率的頻率穩(wěn)定性很 差，同時磁損耗也較高。樣品3不僅致密度最高，而且晶粒生長大且均勻，幾乎無內(nèi)陷氣孔 產(chǎn)生，因此獲得最高的磁導(dǎo)率，且磁導(dǎo)率的頻率穩(wěn)定性也很好。因此，通過高低溫循環(huán)燒結(jié) 的方式，有效的改善了鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)，進而提高了其磁性能。
權(quán)利要求
一種電子陶瓷材料的高低溫循環(huán)燒結(jié)方法，包括升溫過程、燒結(jié)過程和降溫過程；其特征在于，所述燒結(jié)過程為一種高低溫循環(huán)燒結(jié)過程首先使得燒結(jié)對象，即電子陶瓷材料在高溫點T1下保溫較短的時間t1，然后將燒結(jié)對象迅速降溫至低溫點T2并保溫較長的時間t2；再將燒結(jié)對象升溫至高溫點T1并保溫較短的時間t1，然后將燒結(jié)對象迅速降溫至低溫點T2并保溫較長的時間t2；如此循環(huán)數(shù)次；其中，高溫點T1的選擇應(yīng)確保最初升溫到T1時電子陶瓷材料已獲得超過70％的理論密度，這樣電子陶瓷材料中的氣孔會處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，在毛細管力的作用下，在隨后較低的溫度下仍然能夠通過晶界擴散來逐漸排除；低溫點T2的選擇應(yīng)確保晶界的遷移過程已基本停止，而晶界擴散過程仍然能夠進行；其中，高溫點T1下較短的保溫時間t1不超過5分鐘；低溫點T2下較長的保溫時間t2為t1的2～10倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子陶瓷材料的高低溫循環(huán)燒結(jié)方法，其特征在于，所述電 子陶瓷材料為MCuZn鐵氧體陶瓷材料；所述升溫過程的升溫速率為2. 5°C /分鐘；所述高 溫點Tl為1200°C，低溫點t2為1100°C ；所述tl為5分鐘，t2為35分鐘；所述Tl至T2的 降溫時間為5分鐘，T2至Tl的升溫時間為15分鐘；所述降溫過程的降溫方式為隨爐冷卻。
全文摘要
一種電子陶瓷材料的高低溫循環(huán)燒結(jié)方法，屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。首先將燒結(jié)對象升溫至高溫點T1并保溫較短的時間t1，然后將燒結(jié)對象迅速降溫至低溫點T2并保溫較長的時間t2；再將燒結(jié)對象升溫至高溫點T1并保溫較短的時間t1，然后將燒結(jié)對象迅速降溫至低溫點T2并保溫較長的時間t2；如此循環(huán)數(shù)次。高溫點T1的選擇應(yīng)確保升溫到T1時電子陶瓷材料已獲得超過70％的理論密度，低溫點T2的選擇應(yīng)確保晶界的遷移過程已基本停止，而晶界擴散過程仍然能夠進行。本發(fā)明克服了現(xiàn)有電子陶瓷材料燒結(jié)方法在兼顧高致密化和均勻大晶粒微觀結(jié)構(gòu)方面的不足，能夠更好地兼顧電子陶瓷材料高致密化和均勻大晶粒生長的要求，最終獲得致密化、均勻大晶粒的電子陶瓷材料。
文檔編號C04B35/26GK101844927SQ20101018588
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 蘇樺, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請人:電子科技大學(xué)