[发明专利]含有氧化陶瓷的具有受控热膨胀系数的复合材料及其获得方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料，包含特征在于具有负热膨胀系数的陶瓷成分和氧化陶瓷颗粒；涉及其获得方法并涉及其在微电子、精密光学、航空航天中的应用。

背景技术

具有低热膨胀系数（CTE）的材料在非常不同的领域中具有宽范围的应用。在许多种精密装置中以及在高技术系统、微电子工业和精密光学中的仪表装置中需要这些类型的材料。简而言之，在其中必须保证精密元件随温度变化的尺寸稳定性的所有那些应用中，这使得必须降低形成这些元件的材料的CTE。利用不同材料制造的元件的热膨胀的不平衡也可以使用具有需要的（和均匀的）CTE的复合物的设计来解决。具有特制的CTE的这些材料的设计可以使用具有正膨胀和负膨胀的成分的组合来处理。复合物的CTE的这种特制设计可以在不同温度下进行，从而使得具有零CTE的成分的最终应用领域取决于是否实现了用于所述应用的特定功能所需要的其他特性。锂铝硅酸盐（LAS）的陶瓷和玻璃-陶瓷的族频繁用于许多应用领域中的这种目的；从用于厨房的玻璃-陶瓷到用于人造卫星的镜子。该族的一些矿物相具有负CTE，这使得可以将它们用于具有受控的且特制的CTE的复合物中。频繁地，具有负CTE的材料具有低抗破裂性，因为它们的负值是由不同结晶取向之间的强各向异性而造成，其中负膨胀通常存在于它们的一种中，且正膨胀存在于其他两种中。各向异性通常造成微裂纹，这导致这些材料的机械性能值低的结果。然而，这些膨胀性能对于具有零CTE的复合物的制造的有用性在工程、光子、电子和/或特定的结构应用中具有宽范围的潜力（Roy，R等人，Annual Review of Materials Science，1989，19，59-81）。在LAS体系中具有负膨胀的相是β-锂霞石（LiAlSiO₄），因为在其晶轴之一的方向上的负膨胀较大。锂辉石（LiAlSi₂O₆）和透锂长石（LiAlSi₄O₁₀）相具有接近于零的CTE。制造具有LAS组成的材料的传统方法是对玻璃进行处理以制造玻璃-陶瓷。这种方法涉及形成玻璃从而之后对结晶LAS相的随后沉积在较低温度下施加热处理，并由此控制其CTE。有时候这种方法产生不均匀的材料，并且当然，由于其是玻璃，所以与陶瓷相比，其机械性能（刚性和抵抗性）对于许多工业应用不够高。这是广泛用于大量应用中但具有过低抗破裂性和拉伸模量值的（由Schott市售）的情况。因此，如果需要更好的机械性能，则玻璃-陶瓷的替代物是必要的。存在具有接近于零的CTE的其他陶瓷材料如US4403017中公开的堇青石，或者同样具有不足的机械性能的具有低CTE的材料的制备的替代方案由将具有正热膨胀系数的第二相添加到CET为负值的LAS陶瓷基质中组成，如US6953538，JP2007076949或JP2002220277，以及专利申请P200930633的情况中那样。这后一种选择非常有趣，因为CET值和其他性能两者都可以通过在基质中添加适当比例的第二相来调节。另一方面，并且考虑到材料的最终性能是两种以上成分的组合的结果，这些复合物的主要问题在于设法在宽温度范围内控制CTE值。因此，在US6953538，JP2007076949或JP2002220277中，其中实现高尺寸稳定性的温度范围为约30-50℃。在专利申请P200930633中，扩展了用于接近于零的CTE值的温度范围。

专利（US6566290B2）公开了一种具有LAS基质的复合材料，其用于汽车领域，如柴油机中的过滤器中，其中使用低CTE但是具有高孔隙率（可达到按体积计35-65%）来保护材料。这些材料不满足提高的机械性能的要求。

发明内容

本发明提供一种复合材料，其具有陶瓷基质和氧化陶瓷颗粒，其提供优异的机械和热性能以及高耐氧化性；本发明还提供其获得方法以及其在微电子、精密光学、航天航空中的应用。

本发明的第一方面涉及一种材料，包含：

a.陶瓷成分，和

b.氧化陶瓷颗粒，

其中所述材料具有-6×10^-6℃^-1至6.01×10^-6℃^-1的热膨胀系数。

在本发明中，“复合材料”被理解为由两种以上可以相互区分的成分形成的材料；它们具有由其成分的组合获得的性能，所述性能优于单独形成它们的材料。

在本发明中，“热膨胀系数”（CTE）被理解为反映加热时材料经历的体积变化的参数。