氧化鋁陶瓷基板原來是這樣合成的！

氧化鋁陶瓷基板作為目前應(yīng)用最廣，用量最大的陶瓷基板，被應(yīng)用于LED功率照明、半導(dǎo)體致冷器、功率混合電路、高頻開關(guān)電源，固態(tài)繼電器、激光等工業(yè)電子。其由氧化鋁粉體混合粉碎、脫泡、基板成型、沖切、燒結(jié)、切割加工等工藝而成。由于化學(xué)和物理特性穩(wěn)定，氧化鋁陶瓷基板作為一種精密陶瓷材料廣為人知。

要獲得高性能的陶瓷基板，必須其原材料——氧化鋁粉體質(zhì)量也需要優(yōu)異。主要包括氧化鋁的粒度分布、雜質(zhì)和微量元素含量、氧化鋁的水份指標(biāo)、氧化鋁的顆粒形貌等參數(shù)均有較高的要求。根據(jù)具體的應(yīng)用不同，其參數(shù)要求也不盡相同。

Al2O3的同質(zhì)多晶體可達10多種，其主要晶型有如下4種:α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3和ζ-Al2O3。一般而言，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al2O3陶瓷的機械性能、電性能、熱性能和化學(xué)性能等都會得到提升。下圖為室溫下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3陶瓷的性能對比表。

通常情況下，氧化鋁是一種白色晶狀粉末，當(dāng)純度達到99.99%以上的稱為高純氧化鋁。具有卓越的硬度、高亮度、隔電性、超級耐磨損性和高耐腐蝕性等優(yōu)點。高端氧化鋁陶瓷基板通常采用99高純氧化鋁陶瓷.

                                                99高純氧化鋁陶瓷

高純度Al?O?的制備方法多種多樣，各廠家的生產(chǎn)方法也是百花齊放。制備方法主要包括水解異丙醇鋁法、水解高純鋁法、熱解硫酸鋁銨法、熱解碳酸鋁銨法、改良拜耳法沉淀法及焙燒法等。

到現(xiàn)在為止實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)僅有熱解硫酸鋁銨法、熱解碳酸鋁銨法和異丙醇鋁水解法三種；處于試驗研究階段的有凝膠-溶膠法、噴霧熱解法、水解低碳烷基鋁法、水熱法、離子體法等。下面一起來看看用于制備高純氧化鋁粉體的制備方法。

一，水解法

      1、水解異丙醇鋁法

醇鋁水解的方法在國內(nèi)應(yīng)用較多。在催化劑存在下，首先將金屬鋁和有機醇混合反應(yīng)得到醇鋁溶液，然后再經(jīng)過水解、高溫焙燒中間體獲得高純氧化鋁產(chǎn)品。

該方法的優(yōu)點是制備的氧化鋁產(chǎn)品純度高且粒徑小，缺點是生產(chǎn)成本高，工藝過程很復(fù)雜而且過程控制比較困難，因此經(jīng)濟效益不高。紀(jì)洪波等把異丙醇溶液換成異辛醇溶液，大大地降低了生產(chǎn)所需要的成本價格，縮短了反應(yīng)時間，使反應(yīng)效率得以迅速提高。此外，要制得高純氧化鋁，非常重要的一點就是需要對異丙醇鋁進行深度除雜。

2、水解高純鋁法

首先將金屬鋁急冷霧化制成活性粉末，水解和霧化運用的是從經(jīng)過四級反滲透和樹脂交換處理的自來水中分離出來電阻率>12MΩ的去離子水，采用自制霧化裝置以霧化方式制備活性鋁粉，它結(jié)合了超音速霧化和離心兩種方法;之后高純鋁在去離子水中水解反應(yīng)一段時間，最終可得到99.999%的氧化鋁產(chǎn)品。

二、熱解法

      1、硫酸鋁銨熱解法

熱解硫酸鋁銨的方法是一種很傳統(tǒng)的制備方法，國內(nèi)外的科研者對此均有研究。該工藝的重點是控制合成條件以得到純凈的硫酸鋁銨，或者對所得硫酸鋁銨進行多次結(jié)晶，達到純化的目的。它的優(yōu)點是原料便宜容易獲得，產(chǎn)生的母液可循環(huán)使用，減少了廢液處理的負(fù)擔(dān)；缺點是可能會煅燒不充分致使產(chǎn)品的SO?2-。含量較大，純度不理想，而且產(chǎn)生的氨氣和三氧化硫需要作進一步處理，以免污染環(huán)境。

在制備高純氧化鋁時，可以考慮采用分子篩或活性炭來吸附雜質(zhì)，也可以運用殼聚糖或乙二胺四乙酸作絡(luò)合劑來絡(luò)合雜質(zhì)，但是均不能達到深度去除痕量級雜質(zhì)的目的。

2、水解高純鋁法

該方法改進了上述的熱解硫酸鋁銨的技術(shù)，具體操作是向溶液中加入適量的NH4HCO3使其與NH4AI(SO?)?反應(yīng)得到氧化鋁的前驅(qū)體(AACH)，再通過在高溫(不低于800℃)下焙燒制得高純Al?O?。

該制備方法克服了硫酸鋁銨生產(chǎn)工藝污染環(huán)境的缺點，但是同時加重了對廢液(NH4)SO?處理的負(fù)擔(dān)，對環(huán)境也是一種污染。

三、沉淀法

沉淀法是使用非強堿性化合物作為沉淀劑，通過沉淀反應(yīng)使原料中的有效成分沉淀出來，包括共沉淀法、

直接沉淀法和均勻沉淀法。共沉淀法是先將沉淀劑添加到混合后的溶液中，再通過熱分解沉淀物得到所需粒子;溶液中的Al3+與沉淀劑直接反應(yīng)，析出不溶于水的物質(zhì)叫做直接沉淀法;均勻沉淀法實際上就是對直接沉淀法的改良，使Al3+與沉淀劑反應(yīng)形成沉淀物。

該方法工藝簡單易于工業(yè)化，原料來源方便，沒有昂貴的試劑，容易得到粒度可控，分散性良好，高純度超細(xì)的氧化鋁粉末，具有很好的發(fā)展前景。它的缺點是對溶液組成，濃度，反應(yīng)溫度等條件的要求較高和時間。

                                             圖源自金瑞欣 厚金氧化鋁陶瓷基板

四、焙燒法

焙燒法是通過精確的燒結(jié)溫度來制備高純度氧化鋁。通常以原油材料來制備氫氧化鋁，然后焙燒成高純度的氧化鋁。萊仕莉等人研究了硫酸銨燒結(jié)法，提取氧化鋁來制備高純度的氧化鋁。具體步驟如下：

鋁酸鈉→脫Si、脫Fe→水解→氫氧化鋁粉→焙燒→酸洗→高純氧化鋁粉

該焙燒法的優(yōu)點是原料來源方便，可獲得質(zhì)地均勻且純度可達99.99%的產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景。它的缺點很難控制焙燒溫度，較高的溫度會增加能源和成本消耗，較低的溫度會影響產(chǎn)品的容量，所以該方法通常與其他方法結(jié)合使用。

五、改良拜耳法

改良拜耳法

傳統(tǒng)拜耳法利用氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化的性質(zhì)制備氧化鋁，氧化鈉濃度與溫度的變化關(guān)系具體過程如下：

鋁土礦→堿液浸出→凈化→分解→Al(OH)?→焙燒→工業(yè)級Al(OH)?→多次凈化→高純度Al?O?。

國內(nèi)部分廠家的拜耳工藝已經(jīng)進行了改進，其過程如下：

      NaAlO?→脫Si→除Fe→水解→高純度Al(OH)?→高溫煅燒→研磨→高純度Al?O?。拜耳法的原料來源廣泛，成本較低，且新方法比傳統(tǒng)方法更簡單、純度更高。

六、溶膠-凝膠法

溶膠—凝膠法

凝膠法基本原理是：將鋁鹽(高純硝酸鋁或氯化鋁等)和高純氨或銨鹽溶液經(jīng)處理后，即得溶膠-凝膠氧化鋁，然后通過無水乙醇洗滌，陳化，干燥，焙燒得到超細(xì)氧化鋁粉末。這種方法優(yōu)點是不易引入雜質(zhì)因為沒有經(jīng)過機械混合，高純度，顆粒分散性好。

缺點是原料成本高，有機溶劑有毒污染環(huán)境。為了使產(chǎn)品質(zhì)地相對較軟，少些硬團聚產(chǎn)生，可以尋找相應(yīng)的表面活性劑加入到溶液中。

                                            圖 來自金瑞欣特種電路陶瓷基板

七、火花放電法

法火花放點法

雖然常溫常壓下金屬鋁在水中會發(fā)生反應(yīng)，但是由于鋁表面有一層致密的氧化鋁薄膜，會阻止內(nèi)部的鋁與水進一步反應(yīng)。火花放電法利用火花放電產(chǎn)生的高溫可使鋁轉(zhuǎn)化為活性鋁與水反應(yīng)，同時可破壞氧化鋁薄膜，暴露出的細(xì)小鋁粒不斷與水反應(yīng)生成AI(OH)?，再經(jīng)過煅燒得到Al?O?。該方法綠色環(huán)保，但是制備過程中能耗較大，不能忽視重大安全隱患，所以不適宜規(guī)模化的生產(chǎn)。

目前高純氧化鋁粉體市場被住友化學(xué)、SOSAL、法國Baikowski、日本大明化學(xué)等企業(yè)壟斷，其中住友化學(xué)是市場份額最大的企業(yè)，占據(jù)全球高端市場60%份額。

國內(nèi)生產(chǎn)高純超細(xì)氧化鋁粉體的企業(yè)很多，但真正能批量生產(chǎn)并有一定市場份額的屈指可數(shù)。近年來雖然國產(chǎn)高純氧化鋁粉體在純度以及微量雜質(zhì)元素上實現(xiàn)了突破但是還存在以下幾個問題：

1、不同批次粉體之間的穩(wěn)定性相對較差；

2、粉體的粒度分布及團聚情況研究及認(rèn)識深度不高；

以上兩大主要問題導(dǎo)致國產(chǎn)高純氧化鋁粉體制備依然存在一些問題，無法與進口高純氧化鋁粉體相提并論。產(chǎn)品附加值低，難以進入國際高端市場。要獲得高純高質(zhì)量氧化鋁粉體，國產(chǎn)化還需要很長的路走。

                                                 文章內(nèi)容來自“艾邦陶瓷展“

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