[发明专利]具有受控的热膨胀系数的导电性复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及包含陶瓷成分和碳纳米细丝的复合材料、其获得方法以及其在微电子学、精密光学、航空和航天学中作为导电体的用途，所述陶瓷成分的特征在于其具有负的热膨胀系数。

背景技术

具有低热膨胀系数(CTE)的材料在极为不同的领域中都具有广泛的应用。在许多类型的精密仪器中，以及在高技术系统中、在微电子工业和精密光学中的装置设备中都需要这些类型的材料。简言之，在所有这些应用中，随着温度的变化，都必须保证精密元件的维度稳定性，这需要降低形成这些元件的材料的CTE。此外，使用不同材料制造的原件的热膨胀的失衡还可以使用具有所需(且均匀的)CTE的复合材料的设计方案来解决。具有定制CTE的这些材料的设计方案可以使用具有正和负膨胀的成分的结合来处理。可以针对不同的温度实施复合材料CTE的定制设计方案，使得具有零CTE的成分的最终应用领域取决于用于所述应用所需的特定功能性的其他特征是否实现。锂陶瓷、玻璃陶瓷(LAS)、以及硅酸镁铝(堇青石)家族在许多应用领域(由玻璃陶瓷用于厨房到镜子用于卫星)中通常用于所述的这种目的。这些家族的一些矿物相具有负CTE，这使得它们可用于具有受控的且定制的CTE的复合材料中。通常，由于具有负CTE的材料负性是由于在不同的晶体取向之间具有强的各向异性(其中负行为通常在它们中的一者中发现，而正行为在其他两者中发现)，所以具有负CTE的材料的抗折性较低。各向异性通常导致微纤维，这得到了这些材料的机械性质的值较低的结果。因此，加入氧化的/非氧化的陶瓷相能够得到具有改善的机械性质的材料。这些具有受控的CTE的材料受到关注地用于工程、光子、电子和/或结构的应用中(Roy，R.et al.，Annual Review of Materials Science，1989，19，59-81)。

在LAS系统中具有负膨胀的相为β-锂霞石(LiAlSiO₄)，这是由于其一个晶体轴方向的负膨胀较大。锂辉石(LiAlSi₂O₆)和透锂长石(LiAlSi₄O₁₀)相具有接近于零的CTE。制造具有LAS组合物的材料的传统方法为对玻璃进行加工，从而生产出玻璃陶瓷。该方法涉及将后期形成的玻璃在低温下施加热处理，以用于随后结晶LAS相的沉淀，并由此控制其CTE。偶尔，这种方法会产生不均匀的材料，并且由于该材料为玻璃，所以与其他陶瓷物质相比，其机械性质(刚性和抗性)当然不足以高达许多工业应用。这就是(由Schott出售)广泛地用于大量的应用中、但是对折断值具有较低的抗性的情况。因此，如果需要更好的机械性质，则需要玻璃陶瓷的备选物。目前存在其他的CTE接近于零的陶瓷材料，例如在US4403017或中公开的堇青石。制备具有低CTE的材料的备选方法由向其CTE为负的陶瓷成分中加入正热膨胀系数的第二相构成，如在US6953538、JP2007076949或JP2002220277以及专利申请P200803530中所述的情况。这种最后的选择极受关注，并且可以通过在基质中加入合适比例的第二相来调节CTE的值和其他性质。另一方面并且要记住的是材料的最终性质是两种或多种成分的组合中的结果，这些复合材料的主要问题在于进行操纵以便在广泛的温度范围内控制CTE的值。因此，在US6953538、JP2007076949或JP2002220277中，其中取得高的维度稳定性的温度范围为大约30-50℃。在专利申请P200803530中，用于CTE值接近于零的范围被扩展。

在专利P200803530中，使用了硅酸镁铝(堇青石)和硅酸锂铝。申请号为P200803530的专利公开了在溶液中由高岭土、碳酸锂、以及二氧化硅和氧化铝的前体合成硅酸锂铝的方法，由此可以得到具有受控的CTE和àla carte的LAS陶瓷，从而选择具有Al₂O₃∶Li₂O∶SiO₂相图的不同组合物。

发明内容

本发明提供了包含陶瓷基质和碳纳米细丝的复合材料，所述的材料可表征为其具有优异的机械性、导电性和热性质。此外，本发明还提供了所述材料的获得方法，以及其在制造用于微电子学、精密光学、航空和航天学的装置中作为导电体的用途。

本发明的第一个方面涉及这样的材料，其包含：

a.陶瓷成分，以及

b.碳纳米细丝，

其中所述的材料的热膨胀系数为-6x10^-6℃^-1至6.01x10^-6℃^-1。