BeO粉体制备、凝胶注模成型及其烧结的研究

论文摘要

BeO陶瓷具有高热导率、低介电常数、高绝缘性、优异的力学性能和良好的化学稳定性与抗热冲击性等特点,在电子封装、热防护和核工业技术等领域得到广泛应用。国外发达国家已经研制出高性能的BeO陶瓷,但我国的研究相对落后。为了获得高性能的BeO陶瓷,本文主要从粉体处理与制备、凝胶注模成型和烧结技术三方面进行研究。研究微米级BeO粉体的煅烧预处理工艺,从而改善其悬浮液的性能。研究表明制备高固相体积分数悬浮液的BeO粉体的煅烧工艺为在较高温度（1300～1500℃）的条件下煅烧较短的时间（1-2h）。采用聚丙烯酰胺凝胶法制备纳米级BeO粉体。分析凝胶网络形成和凝胶前驱体热分解过程,研究BeO纳米晶的结晶和生长机制,以及单体浓度、盐浓度和单体/交联剂比例等影响因素对粉体制备过程及其性能的影响。制备BeO粉体悬浮液并研究其流变性能。在有或无分散剂添加的条件下,研究了微米级和纳米级BeO粉体的等电点。对于微米级BeO粉体悬浮液,研究pH值、分散剂类型及加入量和固相体积分数对悬浮液流变性能的影响,并采用5种模型对固相体积分数与粘度之间的关系进行拟合分析。对于纳米级BeO粉体悬浮液,研究分散剂加入量和固相体积分数的影响,分析悬浮液的流变行为,认为其屈服应力（τy）与固相体积分数（φ）之间的关系满足方程：τy=2094.7φ4.697,并确定BeO纳米粉体悬浮液的分形维数为Df=2.14,最大固相体积分数为φm=0.266。从内部微观结构的角度,分析了BeO悬浮液剪切变稀和剪切增稠等流变行为变化规律。研究凝胶注模丙烯酰胺凝胶体系的凝胶反应、均匀性和强度,并确定各工艺参数较合适的范围。增加引发剂浓度、催化剂浓度和单体浓度或者升高反应温度,凝胶反应诱导期和反应期均缩短,但单体/交联剂比例对诱导期和反应期影响不大。增加悬浮液的固相体积分数,诱导期缩短而反应期却延长。过高或过低的引发剂浓度、催化剂浓度、单体浓度和反应温度,均降低凝胶均匀性。纯凝胶和坯体强度随着单体浓度的增加而增加。随着单体/交联剂比例的降低,凝胶均匀性下降,坯体强度增加；当单体/交联剂比例低于某一值（15：1）时,凝胶均匀性急剧下降。随着固相体积分数的增加,凝胶注模坯体强度逐渐下降,但均匀性却升高。采用液体干燥方法干燥凝胶注模坯体。探讨液体干燥过程和液体干燥应力,并建立模型对干燥过程中的应力及其分布进行分析,并研究液体干燥剂类型、液体干燥剂浓度、坯体固相体积分数和尺寸等因素的影响。随着液体干燥的进行,坯体内部的压应力逐渐转变为拉应力,而外部的拉应力逐渐转变为压应力。研究微米级和纳米级BeO粉体的烧结及所得陶瓷的微观组织结构与导热性能。在1650℃、2h的条件下烧结添加Pr6O11的BeO陶瓷致密度和热导率最大,分别为91.02%和234.18 W·m-1·K-1。采用纳米级粉体制备BeO陶瓷的烧结温度为1600℃左右,比微米级的烧结温度至少降低200℃。采用纳米级粉体制备BeO陶瓷较合适的二步烧结工艺为：（1450℃、1min）+（1400℃,25h）。该工艺下所得陶瓷的微观组织结构较均匀,致密度和热导率均较高,分别为96.6%和237 W·m-1·K-1。提出并验证响应凝胶注模成型技术。在凝胶体系中引入“排水通道”高分子支链将坯体中的水分排出、促进坯体自收缩,解决现有凝胶注模成型技术中干燥效率低和悬浮液固相体积分数要求高的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 电子封装技术与材料的发展现状
• 1.2.1 电子封装技术及其发展历程
• 1.2.2 电子封装材料的研究现状
• 1.3 氧化铍陶瓷的研究现状
• 1.3.1 BeO的晶体结构和相稳定性
• 1.3.2 BeO粉体的制备
• 1.3.3 BeO陶瓷的烧结
• 1.3.4 BeO陶瓷的性能
• 1.3.5 BeO陶瓷热导率的影响因素
• 1.3.6 BeO陶瓷的应用
• 1.4 凝胶注模成型技术的研究与进展
• 1.4.1 基本原理与工艺流程
• 1.4.2 非水系凝胶注模成型技术
• 1.4.3 水系凝胶注模成型技术
• 1.4.4 凝胶体系
• 1.4.5 凝胶注模成型技术的应用研究
• 1.4.6 凝胶注模成型技术的发展趋势
• 1.5 本文的研究意义与研究内容
• 第2章 BeO粉体的处理与制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料与方法
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 表征与测试
• 2.3 BeO粉体的煅烧处理
• 2.3.1 煅烧对粉体形貌和粒度的影响
• 2.3.2 煅烧对粉体比表面积的影响
• 2.3.3 煅烧对粉体烧结活性的影响
• 2.3.4 煅烧处理对BeO悬浮液粘度的影响
• 2.4 聚丙烯酰胺凝胶法制备纳米BeO粉体
• 2.4.1 凝胶前驱体中三维网络结构的形成
• 2.4.2 凝胶前驱体的热分解过程
• 2.4.3 热分解过程中的结晶机理与BeO纳米晶生长
• 2.4.4 单体浓度对前驱体热分解过程和粉体性能的影响
• 2.4.5 单体/交联剂比例对前驱体热分解过程和粉体性能的影响
• 2.4.6 盐浓度对前驱体热分解过程和粉体性能的影响
• 2.4.7 聚丙烯酰胺凝胶法制备的纳米粉体的粒度分布
• 2.5 本章小结
• 第3章 BeO粉体悬浮液的制备及其流变性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料与方法
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 悬浮液的制备
• 3.2.3 性能测试
• 3.3 BeO粉体悬浮液分散剂的选择
• 3.3.1 分散剂的筛选方案
• 3.3.2 BeO粉体的Zeta电位
• 3.3.3 沉降实验
• 3.3.4 粘度测试
• 3.4 聚丙烯酸铵分散的BeO粉体悬浮液及其流变性能
• 3.4.1 聚丙烯酸铵对Zeta电位的影响
• 3.4.2 pH值对悬浮液流变性能的影响
• 3.4.3 聚丙烯酸铵加入量对悬浮液流变性能的影响
• 3.4.4 固相体积分数对悬浮液流变性能的影响
• 3.4.5 悬浮液固相体积分数与粘度的关系
• 3.5 AMPS-PAA分散的BeO粉体悬浮液及其流变性能
• 3.5.1 AMPS-PAA共聚物对Zeta电位的影响
• 3.5.2 pH值对悬浮液流变性能的影响
• 3.5.3 共聚物加入量对悬浮液流变性能的影响
• 3.5.4 固相体积分数对悬浮液流变性能的影响
• 3.6 纳米级BeO粉体悬浮液的制备及其性能
• 3.6.1 纳米级BeO粉体的Zeta电位
• 3.6.2 分散剂加入量对悬浮液流变性能的影响
• 3.6.3 固相体积分数对悬浮液流变性能的影响
• 3.6.4 纳米BeO粉体悬浮液的结构及其分形
• 3.7 BeO粉体悬浮液的流变性能与微观结构
• 3.8 本章小结
• 第4章 BeO的凝胶注模成型
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料与方法
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 测试与表征
• 4.3 丙烯酰胺凝胶体系
• 4.3.1 凝胶反应的聚合机理
• 4.3.2 凝胶反应动力学
• 4.3.3 凝胶均匀性
• 4.3.4 凝胶强度
• 4.4 BeO凝胶注模坯体的制备
• 4.4.1 固相体积分数的影响
• 4.4.2 单体浓度的影响
• 4.4.3 单体/交联剂比例的影响
• 4.4.4 起始反应温度的影响
• 4.5 凝胶注模坯体的液体干燥
• 4.5.1 凝胶注模坯体中水的存在形式
• 4.5.2 液体干燥过程
• 4.5.3 液体干燥
• 4.5.4 液体干燥时的应力
• 4.6 本章小结
• 第5章 BeO陶瓷的烧结及其导热性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料与方法
• 5.3 微米级BeO粉体的烧结
• 5.3.1 烧结助剂氧化物的初步选择
• 5.3.2 添加不同种类单一氧化物的烧结
• 5.3.3 多元烧结助剂的设计
• 5.3.4 添加多元烧结助剂的烧结
• 5.4 纳米级BeO粉体的烧结
• 5.4.1 纳米BeO粉体的常规烧结
• 5.4.2 纳米BeO粉体的二步烧结
• 5.4.3 纳米BeO粉体的烧结机理
• 5.5 本章小结
• 第6章 响应凝胶注模成型技术
• 6.1 引言
• 6.2 响应凝胶注模成型技术的设计
• 6.3 响应凝胶注模成型技术的初步研究
• 6.3.1 实验原料与方法
• 6.3.2 响应凝胶注模成型技术的快速干燥
• 6.3.3 响应凝胶注模成型技术的收缩致密化
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果