一种高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵及其制备方法与流程

本发明涉及匣钵，尤其涉及一种高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵及其制备方法。

背景技术：

1、氧化铝陶瓷是以高纯氧化铝为主体的陶瓷材料，主要用于厚膜集成电路、电子元器件或电子陶瓷等领域，其氧化铝含量高达99.9％以上，属于典型的高纯氧化铝陶瓷范畴(张海林,林同智.氧化铝陶瓷产品的制造与性能研究[j].科技资讯,2017,15(16):128-129)。

2、现阶段，氧化铝陶瓷的烧结主要采用刚玉质匣钵盛装(不污染承载的氧化铝陶瓷制品)，在高温条件下烧成，烧成温度约1700～1780℃。由此可见，在高温服役环境下，刚玉质匣钵的性能要求更加严苛(蔡晓峰.电子陶瓷烧成用窑具材料与技术[j].陶瓷科学与艺术,2002(02):44-47)，具体表现在以下几个方面：

3、(1)高温结构稳定性强。高温服役环境下(≥1700℃)，刚玉质匣钵的结构稳定性首当其冲，不可软化、变形或开裂。因此，要求刚玉质匣钵的耐高温性极强，纯度高，杂质组分含量低。

4、(2)组分分解压低。氧化物组分在高温下同样会发生分解，这取决于分解压大小。氧化物的分解压随温度的升高而增大，分解压越大表明分解反应也越容易发生，因此刚玉质匣钵中应严格避免分解压较高的氧化物(如cr2o3、sio2等)掺入，否则高温下的分解导致匣钵表面“增孔”，气体组分的逸出极易导致承载的氧化铝陶瓷开裂，增大陶瓷材料的废品率。

5、(3)热震稳定性高。刚玉质匣钵的开发成本较高，所承载的陶瓷制品高值且精密，因此要求刚玉质匣钵能够多次循环使用，以提高经济效益，这对刚玉质匣钵的热震稳定性提出了严格的要求。

6、(4)烧结性能好。如前述，刚玉质匣钵的服役环境属于高温条件，因此匣钵的烧成也同样温度较高，如何在不引入杂质组分的情况下，提高刚玉质匣钵的烧结性能，降低匣钵烧结温度的同时节能环保，这显然具有良好的社会经济效益。

7、目前，关于高纯刚玉质匣钵的报道较少，仍主要以al2o3-sio2系的刚玉-莫来石或莫来石-刚玉复合材质为主，其原料主要采用刚玉、高铝矾土或高纯莫来石，通过混合均匀后成型，经高温烧成制得。但al2o3-sio2系材质的匣钵在低于1600℃条件下能够表现出良好的耐高温性能，而当温度高于1700℃时，由于组分的异分蒸发(sio2较al2o3更容易分解和挥发)等问题导致匣钵功能失效而服役终止。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵及其制备方法，该方法制备的高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵服役温度高、烧结性能好、强度大、荷重软化温度高和抗热震性能好。

2、本发明的一种高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵的制备方法，具体步骤如下：

3、步骤s1、将一定质量比的烧结刚玉颗粒和预混细粉料混合得预混料；所述预混细粉料包括烧结刚玉细粉、电熔锆刚玉细粉、稀土复合钇锆陶瓷粉、磷酸铈粉体和无定形氧化铝细粉；

4、步骤s2、向预混料中依次加入一定质量的马铃薯淀粉和ρ-氧化铝胶体溶液，并混合均匀得混合料；

5、步骤s3、将混合料密封困料得塑性料；

6、步骤s4、将塑性料模压成型后脱模，得到生坯；

7、步骤s5、将生坯热压烧结即得高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵；

8、其中，所述ρ-氧化铝胶体溶液由ρ-氧化铝细粉溶解于氟锆酸钾溶液中得到。

9、进一步的，所述预混细粉料中，烧结刚玉细粉、电熔锆刚玉细粉、稀土复合钇锆陶瓷粉、磷酸铈粉体和无定形氧化铝细粉的质量比为100︰(30～35)︰(6～8)︰(2.2～2.8)︰(15～25)。

10、进一步的，所述烧结刚玉颗粒︰预混细粉的质量比为100︰(65～70)。

11、进一步的，所述马铃薯淀粉占预混料质量1.2～1.6wt％。

12、进一步的，所述ρ-氧化铝胶体溶液由ρ-氧化铝细粉溶解于浓度为1.5～1.8mol/l氟锆酸钾溶液中得到，ρ-氧化铝细粉︰氟锆酸钾溶液的质量比为1︰(8～16)；ρ-氧化铝胶体溶液占预混料质量3.3～3.6wt％。

13、进一步的，步骤s4的具体操作为：将塑性料置于模具中，于25～35mpa下机压排气，保压40～60秒后继续升压至75～85mpa，保压30～40秒后升压至180～220mpa，保压20～30秒，脱模，得到生坯。

14、进一步的，步骤s5的具体操作为：将生坯置于热压烧结炉中，于1670～1680℃条件下烧成，热压烧结的气氛为空气气氛，压力为0.2～0.3mpa，保温2～4小时后冷却至室温，即得高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵。

15、进一步的，烧结刚玉细粉的粒度为25～30μm；和/或，

16、电熔锆刚玉细粉的粒度为40～50μm，zro2含量为6～8wt％；和/或，

17、稀土复合钇锆陶瓷粉产品牌号为yz7.2qla，参见gb/t31968-2015；和/或，

18、磷酸铈粉体的粒度为15～25μm，cepo4含量≥98wt％；和/或，

19、无定形氧化铝细粉为非晶态，无定形氧化铝细粉的粒度为5～8μm，al2o3含量≥99.5wt％。

20、进一步的，烧结刚玉颗粒的粒度为0.1～2.5mm，其中[0.1～0.5mm]颗粒、[1～1.5mm]颗粒和[2～2.5mm]颗粒的质量比为(15～20)︰(45～50)︰(25～30)。

21、一种如上述的制备方法制备的高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵。

22、本发明有益效果为：

23、(1)本发明从原料体系着手，选用高纯氧化铝为起始原料，避免杂质组分的引入，进而提高刚玉质匣钵的纯度，提高其高温服役性能。

24、(2)本发明利用稀土磷酸盐在中温段(600～1200℃)形成良好的陶瓷相结合，并结合ce4+的异价置换固溶促进al3+的扩散和迁移，提高匣钵的中温强度，避免匣钵在烧成过程中结构开裂，提高匣钵的成品率。

25、(3)本发明利用稀土复合氧化物的高温特性，在刚玉质匣钵高温烧结过程中原位形成锆质钇铝石榴石固溶体，促进氧化铝晶粒的生长发育和晶相衔接，提高匣钵的荷重软化温度和高温结构强度和稳定性。

26、(4)本发明利用无定形氧化铝细粉的非晶特性，降低烧结过程中晶粒重排的活化能，有效降低了刚玉质匣钵的烧结温度，节约能源。

27、(5)本发明通过热压烧结提高稀土复合氧化物的固溶度，同时利用不润湿固溶界面层的阻碍，避免刚玉质匣钵与承载的高纯氧化铝陶瓷制品形成粘附与烧结，既避免刚玉质匣钵对承载的陶瓷制品造成污染，还提高了承载陶瓷的成品率。

28、(6)本发明利用ρ-al2o3的水解及电离，形成[zrf6]2-和[-al-oh-]2+离子包覆型长链，有效提高基质细粉与刚玉骨料的结合性能，同时结合体系中既无杂质组分引入，又保障生坯的结合强度，通过挥发组分的高温逸出，可抵消al2o3晶粒生长发育引发的体积膨胀，提高刚玉质匣钵的高温体积稳定性。

29、本发明制备的高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵经检测：成品率≥98.2％；服役温度≥1850℃；相对密度95.7～96.6％，耐压强度182～191mpa，荷重软化温度≥1820℃，重烧线变化率0.04～0.07％，1100℃空气急冷循环3次残余抗折强度保持率91.3～92.4％。

30、因此，本发明所制备的高纯氧化铝陶瓷高温烧结用刚玉质匣钵服役温度高、烧结性能好、强度大、荷重软化温度高和抗热震性能好。