一種氧化鋁防靜電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種陶瓷材料及制備方法，該陶瓷材料具有靜電電荷安全放電的靜電 耗散特性。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜電，是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷。當(dāng)電荷聚集在某個物體上或表面時就形成了 靜電，而電荷分為正電荷和負電荷兩種，也就是說靜電現(xiàn)象也分為兩種即正靜電和負靜電。 當(dāng)正電荷聚集在某個物體上時就形成了正靜電，當(dāng)負電荷聚集在某個物體上時就形成了負 靜電，但無論是正靜電還是負靜電，當(dāng)帶靜電物體接觸零電位物體(接地物體）或與其有電 位差的物體時都會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，就是我們?nèi)粘Ｒ姷交鸹o電放電現(xiàn)象。 在當(dāng)今日益發(fā)展的電子工業(yè)時代，各種微電子、光電子原件的應(yīng)用非常廣泛，而靜電放 電能夠破壞電子原件、改變半導(dǎo)體元器件的電性能、破壞電子系統(tǒng)，造成整個設(shè)備故障或失 靈；與此同時，靜電電荷釋放時產(chǎn)生靜電火花，極易引燃易燃易爆材料，造成極大危險和經(jīng) 濟損失；此外，靜電容易向清潔的環(huán)境中吸入臟物，如灰塵、異物顆粒、容易使不能相互接觸 的產(chǎn)品粘在一起，運些都會造成重大的損失。靜電作為一種普遍物理現(xiàn)象，近十多年來伴隨 著集成電路的飛速發(fā)展和高分子材料的廣泛應(yīng)用，靜電的作用力、放電和感應(yīng)現(xiàn)象引起的 危害十分嚴重，美國統(tǒng)計，美國電子行業(yè)部口每年因靜電危害造成損失高達100億美元，英 國電子產(chǎn)品每年因靜電造成的損失為20億英鎊，日本電子元器件的不合格品中不少于45% 的危害是因為靜電放電巧SD)造成的。
[0003] 由于靜電危害十分巨大，因此引起了人們的高度重視。目前已經(jīng)制備出許多防靜 電的材料、設(shè)計出許多靜電放電耗散的的用具，用來防止靜電放電現(xiàn)象的的發(fā)生。用于防 靜電的靜電耗散材料應(yīng)該是半絕緣的，其體積電阻范圍是IO4到10iiQ-cm，當(dāng)此種材料 受到摩擦?xí)r，其表面產(chǎn)生的靜電荷可W較快的擴散和泄漏。特別是，當(dāng)材料的體積電阻率 為IO6到10SQ-cm,材料表面的靜電能夠W較緩慢的速度慢慢持續(xù)釋放，最大程度防止靜 電放電對產(chǎn)品的破壞。目前應(yīng)用最廣的防靜電材料，大都是通過在塑料中添加炭黑、金屬 粉等導(dǎo)電粉體制成，利用導(dǎo)電粉體均勻分布在塑料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低塑料本身的電 阻率，從而達到靜電耗散的目的。而陶瓷材料具有良好的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫、剛性好 等優(yōu)點，是理想的防靜電材料。目前，用于結(jié)構(gòu)件的特種陶瓷主要有氧化侶陶瓷、氧化錯陶 瓷、氮化娃陶瓷、碳化娃陶瓷等。其中，氧化侶陶瓷具有價格便宜、容易制備、優(yōu)異的力學(xué)性 能和高耐磨性、不會低溫老化等特殊優(yōu)點，因此可W作為優(yōu)良的防靜電陶瓷材料基體。目 前絕大多數(shù)防靜電陶瓷材料，均采用氧化錯陶瓷作為基體材料，如專利CN200480013963. X提供了一種淺色靜電放電陶瓷，通過在氧化錯陶瓷基體中添加電阻調(diào)節(jié)劑，并用熱等靜 壓處理燒結(jié)體的辦法，得到了致密的靜電放電陶瓷；專利CN201010101876. 7提供了一種 Zr02-Zn0-Sn0體系的防靜電陶瓷，并引入了Si02、SiC、Si粉等降低燒結(jié)溫度、提高致密性。 專利CN200710071983. 8提出在Zr02中參雜TiC導(dǎo)電相，并通過真空燒結(jié)，得到電阻率滿意 的防靜電材料。
[0004] 塑料的防靜電材料缺陷顯而易見：1、材料本身易老化、耐磨性、耐腐蝕性、剛性差， 容易變形；2、塑料中添加的炭黑、金屬粉等容易摩擦后脫落，產(chǎn)生導(dǎo)電粉塵，污染產(chǎn)品和環(huán) 境，嚴重時導(dǎo)致電子元件短路報廢。
[0005]目前披露的防靜電陶瓷材料制作方法，大都是通過在氧化錯陶瓷基體中加入第二 相，即導(dǎo)電相的方法，使陶瓷材料的電阻率降低為IO4到l〇iiQ-cm，從而達到靜電耗散的目 的。但目前技術(shù)存在的缺陷也是明顯的：如專利CN200480013963.X，需要通過熱等靜壓的 方式得到致密性好，電阻率合格的防靜電陶瓷燒結(jié)體，成本非常高昂，不適合大規(guī)模工業(yè)化 生產(chǎn)；專利CN201010101876. 7采用常規(guī)的空氣氣氛進行燒結(jié)，但為了提高材料的致密性， 引入了Si02等玻璃相，大大增加了陶瓷的脆性，降低了強度、硬度、初性等力學(xué)性能；專利 CN200710071983. 8在氧化錯陶瓷基體中引入TiC導(dǎo)電材料，由于TiC在空氣中極易氧化，因 此必須在真空氣氛進行燒結(jié)，運不僅增加了成本，不利于規(guī)?；a(chǎn)。并且，氧化錯陶瓷存 在低溫老化的固有缺陷，運種缺陷雖然能通過各種技術(shù)手段進行彌補，但成本高昂，而且并 不能完美的解決老化問題。
[0006]由于目前的防靜電陶瓷材料采用的是在陶瓷基體中引入微米級第二導(dǎo)電相的方 法制備，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)需要的第二相含量較多，并且高溫下第二相會有部分揮發(fā)，因此需要 在陶瓷基體原料中加入較多的導(dǎo)電相(一般的比例是20%-一50%質(zhì)量分數(shù)）才能達到所需 要的體積電阻率，由于第二相會在陶瓷燒結(jié)時形成大量液相，運些液相冷卻后形成大量玻 璃相，玻璃相本身的力學(xué)性能很差，運大大降低了陶瓷體本身的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明正是為解決W上技術(shù)問題而提出的，目的是提供一種防靜電性能優(yōu)良、耐 磨、耐腐蝕、高初性、高致密性的防靜電陶瓷材料；同時，還提供一種制備工藝簡單、不老化、 成本低廉的氧化侶防靜電陶瓷材料的制備方法。
[000引為了實現(xiàn)上述的第一個目的，本發(fā)明采用了W下的技術(shù)方案： 一種氧化侶防靜電陶瓷材料，該陶瓷材料按質(zhì)量百分比計包括W下的組成成分： 氧化侶 70t%-90wt0/0 ; 納米第二導(dǎo)電相l(xiāng)0wt%-20wt%; 3Y-氧化錯 5%-120/0。
[0009] 作為優(yōu)選，該陶瓷材料按質(zhì)量百分比計包括W下的組成成分： 氧化侶 70t%-85wt〇/〇 ; 納米第二導(dǎo)電相l(xiāng)〇wt%-20wt%; 3Y-氧化錯 5%-10〇/〇。
[0010] 作為優(yōu)選，氧化侶采用共沉淀法制備的粒度為IOOnm-500nm的高活性氧化侶粉。 運種氧化侶粉的燒結(jié)溫度低，容易致密化，得到的燒結(jié)體晶粒細小、均勻，力學(xué)性能好。但 是，單獨使用氧化侶陶瓷會有過高的電阻率(常溫下IQi2W上)，因而無法減少材料表面靜電 的累積，無法緩慢安全的放電。因此，需要在氧化侶基體中添加導(dǎo)電或半導(dǎo)電的物質(zhì)，運類 物質(zhì)燒結(jié)后，在氧化侶陶瓷基體中形成接觸或半接觸的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使整個材料的電阻 率下降到l〇6-l〇SQ-m。
[0011] 本發(fā)明的防靜電陶瓷材料基體采用增初的氧化侶陶瓷。因為相對于大多數(shù)發(fā)明采 用的氧化錯陶瓷基體，氧化侶陶瓷不僅硬度更高，更耐磨損，而且不會出現(xiàn)低溫老化缺陷。 眾所周知，低溫老化缺陷，大大降低了氧化錯陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域及可靠性和穩(wěn)定性。但和氧化 錯陶瓷相比，氧化侶陶瓷的初性和抗彎強度較差，因此需要利用氧化錯對其進行增初。部分 穩(wěn)定的氧化錯在收到外力作用時，部分亞穩(wěn)相的t相會發(fā)生到m相的轉(zhuǎn)變：四方相（t相） 一單斜相（m相）屬于馬氏體相變，將產(chǎn)生3%-5%的體積膨脹。當(dāng)裂紋擴展進入含有t-Zr02 的區(qū)域時，在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下，在裂紋尖端形成過程區(qū)，過程區(qū)內(nèi)的t-Zr02發(fā)生 t一m相的轉(zhuǎn)變，除產(chǎn)生新的斷裂面吸收能量外，還因相變時的體積膨脹效應(yīng)而吸收能量。 同時由于過程區(qū)內(nèi)t一m相變粒子的體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生了壓應(yīng)力，阻礙了裂紋擴展。從 而提高了氧化侶基體材料的強度和初性。
[0012] 由于制備的氧化侶防靜電陶瓷材料采用成本低廉的空氣氣氛燒結(jié)方式，因此，一 些導(dǎo)電或半導(dǎo)電的碳化物巧日SiC、TiC、B4C、ZrC、TaC等)、氮化物巧日TiN、ZrN、TaN、AlN等)、 棚化物巧日