黑色氧化鋁陶瓷及其著色劑
常見的氧化鋁陶瓷是白色,但有些用途需要避免氧化鋁基板反射光線,黑色氧化鋁的產品因此生成。黑色氧化鋁陶瓷,簡稱黒瓷。其材料可為93氧化鋁瓷和96氧化鋁瓷,外觀黑色。具有絕緣性好、膨脹系數小、熱導率高、機械強度高、避光性好、耐磨性、低介電損耗等優良特性。產品用途可分為黑色氧化鋁陶瓷電路基板、黑色陶瓷封裝基座、陶瓷金屬化、直發器陶瓷發熱片、水龍頭陶瓷發熱棒等。
由于半導體集成電路常具有明顯的光敏性,用于數碼管襯板的氧化鋁也要求呈黑色,以保證數碼顯示清晰,并且作封裝管殼的特種陶瓷材料應需具有遮光性。在陶瓷封裝材料中,AlN陶瓷燒成溫度太高且不易通過配方和工藝的調整使之降低,故難以制得黑色氮化鋁陶瓷。BeO陶瓷燒成溫度高且有毒,限制了它的使用。純的氧化鋁陶瓷本身的燒成溫度也是很高的,在助溶劑摻雜及特殊工藝條件下,氧化鋁陶瓷的燒成溫度大大降低,因而氧化鋁為主要原料可以得到黑色氧化鋁陶瓷。
氧化鋁主要以α-氧化鋁相存在,黑色顏料的組成是氧化鐵、氧化鎳、氧化鉻、氧化鈷,氧化猛、氧化銅等的一種或幾種混合,燒結助劑可以是能形成液相燒結的玻璃,也可以是能激化氧化鋁燒結的固態氧化物。有研究表明,黑色顏料不但有調顏色的作用,還有能降低氧化鋁燒結溫度的作用,它們和氧化鋁能形成某種微量的尖晶石第二相。
通常著色陶瓷的顏色與著色陶瓷的特征吸收頻段相應顏色的補色(即反射頻譜所顯示的顏色)相當。如果陶瓷的反射頻譜的反射強度或反射率很低,說明陶瓷材料對可見光各頻段的電磁波有非常強烈的吸收,陶瓷就會呈現深色或黑色。因此黑色氧化鋁陶瓷是含有可見光范圍內對各色光波均勻地、大幅度的吸收各種著色離子的氧化鋁陶瓷。
調整氧化鋁陶瓷配方中著色氧化物的比例,在一定條件下制得陶瓷樣品,能吸收全部可見光而呈現黑色。著色氧化物離子的呈色不僅與它本身的價態有關,還與它所處的配位環境有關。著色氧化物在黑色氧化鋁陶瓷中可能以三種方式存在:一是固溶于α-Al2O3的晶格中,二是溶解于晶界玻璃相中,三是各種著色氧化物相互作用形成尖晶石相。其中尖晶石結構具有結構穩定性高,化學穩定性好的特點,著色氧化物離子存在于尖晶石結構中時,其價態和配位環境最穩定,呈現的穩定性也最好。在氧化鋁陶瓷的燒成過程中,晶界游離的著色氧化物很容易相互作用形成尖晶石結構。氧化鋁陶瓷的主要組成Al2O3是一種高溫下揮發較弱的氧化物,而常用的著色氧化物在高溫下的揮發性都較強。著色氧化物形成尖晶石后,其高溫揮發性一般會降低。因此,工藝條件能夠保證在較低的溫度(色素氧化物的揮發還不明顯的溫度)下,使色素氧化物結合成尖晶石,成為抑制色素揮發的應予重視的措施。
黑色氧化鋁陶瓷的制備:目前國內外制備黑色氧化鋁陶瓷一般采用一次合成法與二次合成法。
一次合成法是將氧化鋁、著色氧化物、助溶劑直接按一定的配比和工藝來制備黑色氧化鋁;而二次合成法是先利用一些金屬氧化物合成黑色色料,再將黑色色料、助溶劑、氧化鋁按一定的配比和工藝來制備黑色氧化鋁,此法工藝步驟相對復雜,能耗較高。到目前為止國內學者在黑色色料的研制和應用上做了大量的研究工作,發現了Fe-Cr-Co系和Fe-Cr-Co-Mn系,這些系統的色料通常以尖晶石(Me2+O·Me3+O3)的形態存在。
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3.黒瓷
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