摘 要

堇青石陶瓷因其具有较低的热膨胀系数以及良好的热稳定性和耐腐蚀性，被广泛运用于微电子封装材料、窑具、电子器件等方面。本文以石英，滑石，煅烧铝矾土等为主要原料，采用固相烧结法研究制备了堇青石陶瓷，再在制备出的低膨胀堇青石陶瓷基础组分上添加钾长石、钠长石、部分稳定氧化锆（PSZ）、碳化硅等物质，研究了添加剂对堇青石陶瓷抗折强度、导热系数及热膨胀系数等的影响。同时运用XRD、SEM等测试技术对堇青石陶瓷的物相组成及显微结构进行了测试分析，并探讨了堇青石陶瓷的合成及影响其性能的因素。

研究结果表明：本研究中堇青石陶瓷的最佳烧成温度为1420℃，其抗折强度为96.12MPa，热膨胀系数为2.08×10^-6℃^-1，导热系数为2.48w/（m·k）。添加了AlN的堇青石陶瓷样品存在发泡现象，气孔率为32.33%，导热性能较堇青石陶瓷反而降低，通过XRD图谱发现，当AlN发生发泡现象时，堇青石陶瓷还未生成。因此AlN不适合作为堇青石陶瓷的添加剂。加入钾长石、钠长石、部分稳定氧化锆（PSZ）、碳化硅等物质，经1200℃烧成的陶瓷吸水率为0.45%、气孔率为2.06%、体积密度为2.42g/cm3，抗折强度为108.27 MPa。膨胀系数系数为2.45×10^-6℃^-1，导热系数为3.89w/（m·k），结果表明在添加SiC后陶瓷的吸水率、气孔率、体积密度性能没有降低，抗折强度有了提高，而导热系数提高至堇青石陶瓷的150%。

关键词：堇青石陶瓷，高导热，低膨胀，AlN，SiC

Abstract

Cordierite ceramics because of its low thermal expansion coefficient and good thermal stability and corrosion resistance, is widely used in microelectronics packaging materials, kiln furniture and electronic devices, etc.Based on quartz, talc, calcined bauxite as main raw materials, such as study was prepared by solid phase sintering cordierite ceramics, and then on the basis of the preparation of the low expansion of cordierite ceramics components to add potassium feldspar, sodium feldspar, partially stabilized zirconia (PSZ), materials such as silicon carbide,Additive was studied in cordierite ceramic flexural strength, thermal conductivity and thermal expansion coefficient, etc. At the same time by using XRD, SEM and other testing technology of cordierite ceramics phase composition and microstructure of the test and analysis, and discusses the synthesis of cordierite ceramics and factors affecting its performance.

The results show that this study of cordierite ceramics best sintering temperature is 1420 ℃, the flexural strength is 96.12 MPa, thermal expansion coefficient of 2.08x10^-6℃^-1, coefficient of thermal conductivity is 2.48w/(m·k).Added the AlN foaming phenomenon of cordierite ceramic samples, porosity rate was 32.33%, the heat conduction performance is cordierite ceramic reduce instead, by XRD spectrum, found that when the AlN foaming phenomenon occurs, cordierite ceramics are not generated.So the AlN doesn't fit as additive of cordierite ceramics.Adding potassium feldspar, sodium feldspar, partially stabilized zirconia (PSZ), silicon carbide, such as material, through 1200 ℃ sintering of ceramics bibulous rate is 0.45%, the porosity is 2.06%, the volume density of 2.42 g/cm³, flexural strength is 108.27 MPa. Coefficient of expansion coefficient of 2.45x10-6℃^-1, coefficient of thermal conductivity is 3.89 w/(m·k).Results show that after adding SiC ceramic water absorption, porosity, bulk density did not reduce performance, flexural strength has been improved, and the coefficient of thermal conductivity increase to 150% of cordierite ceramics.

Keywords:Cordierite ceramics, high thermal conductivity, low Expansion coefficient, AlN SiC

目录

中文摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1堇青石陶瓷的应用及国内外研究现状 1

1.1.1堇青石复合陶瓷的应用 1

1.1.2堇青石陶瓷在耐火材料中的应用 1

1.1.3堇青石多孔陶瓷 1

1.2堇青石陶瓷的基本性能及热膨胀机理 2

1.2.1堇青石陶瓷的基本性能 2

1.2.2堇青石陶瓷的热膨胀机理 3

1.3高导热材料的种类及存在问题 3

1.4堇青石陶瓷研究存在的问题 4

1.5研究的目的与意义 4

第二章 实验 5

2.1 实验所用原料 5

2.2 实验所用仪器 6

2.3 材料性能测试 6

2.3.1 样品烧成收缩率的测定 6

2.3.1 气孔率（Pa）、吸水率（Wa）和体积密度（D）的测定 7

2.3.2 抗折强度的测定 7

2.3.3 热膨胀系数的测定 7

2.3.4 导热系数测定 8

2.4 材料微观结构表征 9

2.4.1 XRD分析 9

2.4.2 SEM分析 9

2.5 实验方案 9

第三章 实验结果与分析讨论 11

3.1堇青石陶瓷的配方组成设计 11

3.2堇青石陶瓷的制备工艺 11

3.3堇青石陶瓷样品的结构与性能表征 12

3.3.1样品的吸水率、显气孔率、体积密度、收缩率的测定 12

3.3.2抗折强度的测定 13

3.3.3膨胀系数的测定 14

3.3.4导热系数的测定 15

3.3.5样品的矿物相组成与微观结构分析 17

3.4实验小结 18

3.5 AlN掺杂堇青石陶瓷 18

3.5.1 不同的掺入量对基本性能的影响 18

3.5.2 样品吸水率、显气孔率和体积密度的测定 20

3.5.3 AlN对陶瓷导热性能的影响 20

3.5.4 样品的相组成 21

3.5.5 实验小结 22

3.6 SiC掺杂堇青石陶瓷 22

3.6.1 SiC掺杂的配方设计 22

3.6.2制备工艺 23

3.6.3样品的吸水率、显气孔率和体积密度测试 23

3.6.4样品抗折强度的测定 24

3.6.5 样品的热膨胀性能的测试 25

3.6.6 样品的导热性能的测试 26

3.6.7样品的矿物相组成与微观结构分析 28

3.6.8实验小结 29

3.7保温时间对SiC掺杂的堇青石陶瓷性能的影响 30

第四章 全文结论 31

参考文献 32

致谢

第一章 绪论

1.1堇青石陶瓷的应用及国内外研究现状

堇青石陶瓷具有较低的热膨胀系数，突出的化学稳定性以及抗热震性能，还拥有一定的机械强度，因此用途十分广泛。

1.1.1堇青石陶瓷在复合材料中的应用

堇青石陶瓷与其他的高性能材料进行复合制备出新型的材料，兼具了各自材料的高性能。通过在堇青石陶瓷的低膨胀基础上，掺杂部分莫来石陶瓷，两种相陶瓷中加入微晶玻璃，不仅仅提高了抗折能力，同时还降低了烧结温度。同时不同的工艺制度对生成的莫来石-堇青石复合材料在性能上表现也有不同。通过一定的工艺能够制备出低膨胀、高的抗折强度、精密尺寸的莫来石-堇青石复合材料，该材料可以用于太阳能发电输热管道的高铝瓷，从而达到降低成本、简化生产工艺的目的。在SiC多孔陶瓷中引入堇青石陶瓷成分，可制得SiC-堇青石多孔陶瓷，使得热膨胀系数降低，并且获得高强度，良好的热震性和化学稳定性的复合材料[^[1]]。

1.1.2堇青石陶瓷在耐火涂层等方面的应用

因堇青石陶瓷的膨胀系数低，堇青石陶瓷可以运用于陶瓷的封装材料，同时可以运用于隧道窖的支架材料及硼板等。又因堇青石的低迷第，低的热传导性能和高温下的稳定性，被运用于较高温的火焰表面。也可用作热交换器上面。在消失模铸造过程中，铸件的尺寸和性能主要受耐火涂层的影响，因此耐火涂层必须要有一定的透气性能和耐火性能，且易干燥，并且之后不易裂开。堇青石陶瓷在消失模耐火涂层材料运用上就发挥了其高耐火度，低膨胀、良好的抗热震性能，对高质量铸件是一种保障[^[2]]。

1.1.3堇青石多孔陶瓷

多孔陶瓷具有很广的应用领域，堇青石因具有良好的热稳定性能以及低膨胀性能，是制备多孔陶瓷的首选材料；堇青石陶瓷还具有很好的吸附能力，被广泛运用于汽车尾气的净化。通过在堇青石蜂窝陶瓷中引入涂层可以提高陶瓷的催化性能和与催化剂活性组分接触的面积。在精密铸造行业中，将熔融金属用堇青石泡沫陶瓷过滤，去除杂质，使铸件品质更好，质量更有保障。ZhangXuebin等[^[3]]、Dong Yingchao等[^[4]]在1300℃的条件下运用粉煤灰制备的堇青石多孔陶瓷，其抗折强度为65 MPa左右，其堇青石陶瓷的膨胀系数为4. 21×10^-6。

1.2堇青石陶瓷的基本性能及热膨胀机理

1.2.1堇青石陶瓷的基本性能

堇青石是一种硅酸盐矿物，化学式为2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂（理论组成为MgO13.7%，Al₂O₃34.9%，SiO₂51.4%），具有一定低的热膨胀系数、良好的介电常数以及 化学稳定性、耐热冲击性。众多研究表明，堇青石存在三种变体，分别为β-堇青石（又称低温型堇青石，属斜方晶系，空间群为Cccm）、α-堇青石（又称印度石，属六方晶系，空间群为P6/mcc）和μ-堇青石（过渡型堇青石）。且在一定条件下，β-堇青石和μ-堇青石均可以转化成α-堇青石。因β-堇青石和α-堇青石具有较低的热膨胀系数，是目前研究的主要对象。

图1-1堇青石的网络结构