Амелина Ольга Дмитриевна. Разработка бесспековой технологии вакуумплотной корундовой керамики группы ВК100 для нужд электронной техники

Краткое описание

Амелина Ольга Дмитриевна. Разработка бесспековой технологии вакуумплотной корундовой керамики группы ВК100 для нужд электронной техники: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.06 / Амелина Ольга Дмитриевна;[Место защиты: ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана], 2016.- 191 с.

Московский Государственный Технический Университет
имени Н.Э. Баумана
Научно-исследовательский институт вакуумной техники
имени С.А. Векшинского
На правах рукописи УДК 666.65 УДК 546.07
Амелина Ольга Дмитриевна
РАЗРАБОТКА БЕССПЕКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ВАКУУМПЛОТНОЙ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ ГРУППЫ ВК100
ДЛЯ НУЖД ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Нестеров Сергей Борисович, доктор технических наук, профессор

Москва 2016 г.

2
Оглавление
Стр.
Условные обозначения и сокращения 6
Введение 7
Глава 1. Современное состояние в области получения вакуумплотной
корундовой керамики группы ВК100 для нужд электронной техники 18
1.1. Вакуумплотная корундовая керамика группы ВК100: состав, свойства и области применения 20
1.2. Технология изготовления высокоплотной корундовой керамики 28

1.2.1. Условия получения прозрачной керамики 28
1.2.2. Требования к порошкам исходных компонентов 31
1.2.3. Влияние добавок на спекание и свойства корундовой керамики ... 33
1.3. Особенности технологии изготовления вакуумплотной корундовой
керамики ВК100-1 и ВК100-2 37
1.3.1. Подготовка оксида алюминия 39
1.3.2. Подготовка минерализатора 42

1.4. Спекание керамики группы ВК100 в твердой фазе 44
1.5. Выводы по главе 1 48
Глава 2. Расчетно-экспериментальное определение размера частиц порошка
минерализатора для изготовления керамической шихты ВК100 по
бесспековой технологии 50
2.1. Переход от традиционной (спековой) технологии получения керамической шихты ВК100 к бесспековой технологии 50
2.2. Подходы к построению пространственной модели равномерного распределения частиц порошка минерализатора в объеме порошка основного оксида керамической шихты ВК100, получаемой по бесспековой технологии 53

3
Стр.
2.3. Обзорное представление характеристик оксида магния и системы Al2O3-MgO 65
2.4. Исследование вопроса о применении выбранного в работе варианта золь-гель метода для синтеза тонкодисперсного порошка оксида магния и алюмомагнезиальной шпинели 70
2.5. Выводы по главе 2 78
Глава 3. Исходные материалы, методы получения и исследования
экспериментальных образцов 80
3.1. Постановка работы по применению золь-гель метода для синтеза оксида магния 80
3.2. Используемые материалы и реактивы для синтеза оксида магния и приготовления керамического порошка ВК100 82
3.3. Методика синтеза порошков минерализатора керамической шихты ВК100 золь-гель методом 83
3.4. Технология подготовки керамических образцов и опытных металлокерамических изделий 86
3.5. Исследование экспериментальных образцов 90

3.5.1. Методы исследования на стадиях синтеза минерализатора и приготовления керамической шихты ВК100 90
3.5.2. Методы исследования керамических образцов 93
3.5.3. Методы исследования металлокерамических изделий на основе керамических изоляторов марки ВК100-2 по бесспековой технологии .. 95
3.6. Выводы по главе 3 97
Глава 4. Результаты исследования порошков минерализатора 98
4.1. Изучение физико-химических свойств промышленного порошка
оксида магния 98

4
Стр.
4.2. Результаты термического анализа ксерогелей на основе выбранных солей магния и изучение их строения 100
4.3. Изучение влияния концентрации ПВС на размер частиц получаемых порошков минерализатора и установление характера влияния природы анионов исходных солей магния на процесс синтеза оксида магния 105

4.3.1. Синтез оксида магния из нитрата магния 105
4.3.2. Синтез оксида магния из цитрата магния 109
4.3.3. Синтез оксида магния из хлорида магния 113
4.3.4. Синтез оксида магния из ацетата магния 117
4.3.5. Обобщение результатов синтеза оксида магния золь-гель методом из выбранных солей магния 122

4.4. Изучение влияния концентрации раствора исходной соли магния на размер частиц синтезируемого порошка оксида магния 124
4.5. Установление зависимости размера частиц синтезируемых порошков оксида магния от температуры термической обработки ксерогелей 128
4.6. Сравнительный анализ изученных свойств порошков оксида магния: промышленного, полученного термическим разложением кристаллогидрата и синтезированного золь-гель методом 133
4.7. Выводы по главе 4 135
Глава 5. Результаты исследования, анализа и сравнительной характеристики
свойств керамических образцов, полученных по спековой и бесспековой
технологии, и опытных металлокерамических изделий 137
5.1. Технологические особенности получения керамического материала
группы ВК100 по бесспековой технологии 137
5.1.1. Морфологическая и гранулометрическая характеристика
порошков керамической шихты ВК100, приготовленных по
бесспековой технологии 137

5
Стр.
5.1.2. Некоторые особенности получения литейного шликера из
порошков керамической шихты ВК100, приготовленных по
бесспековой технологии 142
5.2. Спекание керамики ВК100-2 в вакууме 143
5.3. Спекание керамики ВК100-2 в окислительной среде 155
5.4. Оценка пригодности вакуумплотной корундовой керамики марки ВК100-2, изготовленной по бесспековой технологии, для применения ее в электронной технике 162
5.5. Выводы по главе 5 163
Общие выводы и основные результаты 165
Список литературы 168
Приложение 179

Список литературы

Общие выводы и основные результаты
1. После рассмотрения различных подходов к изготовлению порошка
высокоплотной оксидной керамики в работе были определены основные
технологические принципы осуществления перехода от традиционной
(спековой) технологии получения керамической шихты ВК100 к бесспековой
технологии, а именно:
- достижение равномерного распределения минерализатора по всему объему основного оксида;
- использование тонкодисперсного порошка модифицирующей добавки, полученной золь-гель методом;
- допустимое использование в качестве модифицирующей добавки выпускаемого промышленностью по ГОСТ 4526-75 порошка оксида магния;
- применение совместной обработки (измельчения) исходных компонентов шихты, полностью соответствующих химическому составу материала в оксидах или продукту их химического взаимодействия.

2. Модельное представление укладки частиц порошка глинозема марки ГН, использующегося в работе для изготовления керамической шихты ВК100 по бесспековой технологии, в соответствии с расположением монодисперсных жестких шаров в гранецентрированной кубической (ГЦК) и гексагональной плотнейшей (ГПУ) упаковках позволили изготовить керамику марки ВК100-2 со структурой, в которой зерна кристаллической фазы минерализатора более равномерно сегрегируются на границах кристаллов корунда, чем в керамике по спековой технологии.
3. Установлено, что зависимость размера частиц синтезированных в работе золь-гель методом порошков оксида магния от концентраций поливинилового спирта (ПВС) и раствора прекурсоров носит нелинейный характер, и при этом, главным фактором, повлиявшим на размер частиц порошков оксида магния, является природа анионной части исходной соли магния.

166
4. При объяснении роста значений гранулометрических показателей
полученных порошков оксида магния с увеличением количества
гелеобразователя от 8 до 10 %-ной его концентрации в ксерогелях сделано
предположение о существовании предельного значения концентрации ПВС
(> 10 %), выше которого образование устойчивого ксерогеля происходить не
будет.
5. Для получения тонкодисперсных порошков оксидов простого и
сложного состава выбранным в работе вариантом золь-гель метода можно
рекомендовать:
- изготовление геля осуществлять при использовании 30 %-го раствора прекурсора и 8 %-ной концентрации ПВС по отношению к воде в растворе;
- проводить выбор прекурсоров таким образом, чтобы в конечном результате процесса образования ксерогелей получались пористые, вспученные, однородные и хорошо просушенные ксерогели;
- осуществлять подъем температуры в силитовой печи при прокаливании ксерогелей с максимально допустимой скоростью нагрева для нагревателей из карбида кремния.
6. Показано, что при реализации бесспековой технологии керамики
ВК100-2 с глиноземом марки ГН следует использовать оксид магния,
синтезированный в работе золь-гель методом из нитрата магния при СПВС=8 %,
Ср-ра=30 % и Тпрок=1000 0С, так как он, по сравнению с промышленным
порошком оксида магния (ГОСТ 4526-75), позволяет получить после обжига:
- в окислительной среде при температуре 1750 0С керамику марки ВК100-2, соответствующую ТУ 11-78 «КЕРАМИКА ВАКУУМПЛОТНАЯ. Технические условия» аЯ0.027.002 ТУ с наименьшим содержанием пор и наибольшей плотностью;
- в вакууме при температуре 1720 0С керамику ВК100-2 с показателями физико-механических и диэлектрических свойств не хуже аналогичных показателей керамики ВК100-2 по спековой технологии после обжига в вакууме при температуре 1750 0С;

167
- в вакууме уже при температуре 1750 0С керамику с физико-
механическими и диэлектрическими свойствами керамики ВК100-1,
соответствующими ТУ 11-78 «КЕРАМИКА ВАКУУМПЛОТНАЯ. Технические
условия» аЯ0.027.002 ТУ, а также составом, стремящимся с увеличением
температуры обжига в вакууме к приобретению монолитного строения и, как
следствие, к появлению прозрачности.
7. Для получения при спекании в окислительной среде мелкокристаллической структуры керамики марки ВК100-2 целесообразно вводить в керамическую шихту ВК100 по бесспековой технологии тонкодисперсный порошок алюмомагнезиальной шпинели, возможность использования которой в качестве минерализатора рассмотрено и обосновано в настоящей работе.
8. Бесспековая технология, апробированная для процесса получения металлокерамических изделий на основе изоляторов из вакуумплотной корундовой керамики марки ВК100-2 с модифицирующей добавкой в виде промышленного порошка оксида магния и полученного в работе золь-гель методом, пригодна для изготовления изделий электротехнического назначения.
Совершенствование технологии изготовления керамики марок ВК100-1 и ВК100-2, с одной стороны, позволяет снизить почти в 7,5 раз общецеховые расходы (расходы массозаготовительного цеха) и в 3 раза себестоимость 1 кг керамического порошка, а с другой стороны, обязывает задействовать в процессе приготовления шихты по бесспековой технологии современное аналитическое оборудование.