[发明专利]一种电子陶瓷材料的高低温循环烧结方法

说明书

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料技术领域，涉及电子陶瓷材料的烧结方法。

背景技术

电子陶瓷材料是近几十年来国内外发展极为迅速的功能材料之一，其特点是各种电学特征及参量随环境的物理量(如温度、湿度、电场、磁场等)的变化而变化。利用电子陶瓷材料的这些特性可以制成各种功能电子元器件，广泛应用于科学技术、工业生产以及国防建设等各个领域，对推动人类社会的科技进步与发展起到了很大的作用。

电子陶瓷材料的性能主要由其成分组成和微观结构来共同决定，而烧结工艺又是决定陶瓷材料微观结构的关键。因此，烧结工艺对电子陶瓷材料各种性能的影响举足轻重。对大多数电子陶瓷材料而言，烧结的主要目的是将成型好的坯体在高温下转化成致密化结构的瓷体。此外，一些电子陶瓷材料根据应用的需要，还希望在烧结致密化过程中，同时也能获得生长比较均匀且平均晶粒尺寸较大的微观结构，以改善电子陶瓷材料的部分电磁性能。如为了获得高磁导率的铁氧体陶瓷材料，不仅希望材料能够获得尽量高的烧结密度(致密化程度好)，同时要求晶粒生长均匀，平均晶粒尺寸大且内陷气孔或缺陷少。但是，要同时兼顾材料高致密化和并获得生长均匀、气孔和缺陷含量少的大晶粒微观结构是一件很困难的事。因为电子陶瓷材料的烧结致密化过程主要由晶界的扩散过程来决定，而晶粒的生长则主要由晶界的迁移过程来决定。这两种机制在材料烧结过程中开始的时间、对能量的需求以及进展的速率都存在差异，因此很难保证材料在烧结致密化过程中，晶粒也能够均匀的长大。目前，常规的电子陶瓷材料烧结过程如图1所示，即按一定的升温速率升温至最高温度，保温一段时间后降温。在整个烧结过程中，保温部分是有助于材料的致密化和晶粒生长的，但这很容易造成晶界迁移速度超过晶界的扩散速度，导致部分气孔还来不及排除就被包覆在晶粒内部，不仅使得材料的致密化效果不好，而且晶粒内缺陷多、晶粒不易生长均匀，电磁性能也大受影响。而延长保温时间不仅效率较低，而且在较低的烧结温度下延长保温时间，晶粒生长的效果也不太好。2000年美国I.Wei Chen等人在Nature(Nature，VOL.404，168-171)上发表论文，提出了一种新颖的两步烧结法来进行电子陶瓷材料的烧结，其烧结过程如图2所示，即先升温至一个较高的烧结温度，使陶瓷晶界获得足够的能量发生扩散，然后迅速降温至一个较低的温度进行保温，使晶界扩散由于毛细管力的作用能够继续进行，材料能够继续不断的致密化，而晶界的迁移则由于能量不足而“冻结”，因此晶粒尺寸不再长大。采取这种方式能够获得致密化、小晶粒的电子陶瓷材料，在某些应用领域有十分重要的价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电子陶瓷材料烧结方法在兼顾材料高致密化和均匀大晶粒微观结构方面的不足，提供一种高低温循环烧结的方法，能够更好地兼顾电子陶瓷材料高致密化和均匀大晶粒生长的要求，改善电子陶瓷材料的部分电磁性能，满足某些应用领域的需求。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种电子陶瓷材料的高低温循环烧结方法，如图3所示，包括升温过程、烧结过程和降温过程；所述烧结过程为一种高低温循环烧结过程：首先使得烧结对象(电子陶瓷材料)在高温点T1下保温较短的时间t1，然后将烧结对象迅速降温至低温点T2并保温较长的时间t2；再将烧结对象升温至高温点T1并保温较短的时间t1，然后将烧结对象迅速降温至低温点T2并保温较长的时间t2；如此循环数次。

其中，高温点T1的选择应确保升温到T1时电子陶瓷材料已获得超过70％的理论密度，这样电子陶瓷材料中的气孔会处于一种不稳定的状态，在毛细管力的作用下，在随后较低的温度下仍然能够通过晶界扩散来逐渐排除。低温点T2的选择应确保晶界的迁移过程已基本停止，而晶界扩散过程仍然能够进行。

其中，高温点T1下较短的保温时间t1以不超过5分钟为宜；低温点T2下较长的保温时间t2以t1的2～10倍为宜。

本发明的工作机理可以描述如下：