中國粉體網(wǎng)訊  近年來，隨著太陽能  電池、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體、液晶顯示屏等片式/薄膜電子元件產(chǎn)品性能和產(chǎn)量不斷提高，對提供更高精度和性能的元件裝夾用真空吸盤的需求越來越大。真空吸盤與真空設(shè)備通過連接管接通，當真空吸盤與待加工物如片式/薄膜材料等接觸時，真空設(shè)備開始工作，使得真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓，待加工物在大氣壓力作用下牢牢貼附在真空吸盤上，即可對待加工物進行相應(yīng)加工作業(yè)。當待加工物完成加工后，真空設(shè)備停止工作，緩慢向真空吸盤內(nèi)充氣，加工物自動與真空吸盤分離，完成對待加工物的裝夾、加工和搬運等工序。

傳統(tǒng)真空吸盤為通孔式金屬吸盤，如鋁合金、不銹鋼等吸盤，由于吸附孔的尺寸較大，在對片式/薄膜元件進行吸附固定時，氣體壓力會導(dǎo)致薄片或薄膜材料在吸附孔附近產(chǎn)生局部彈性變形，給電路印刷等后續(xù)加工操作等帶來不利影響。目前通常采用氣孔尺寸微米級的多孔陶瓷作為真空吸盤，同時，為避免電子元件光刻加工時吸盤反射雜光造成干擾，真空吸盤的顏色要求為黑色。

我國電子元器件生產(chǎn)廠家目前所用黑色多孔陶瓷真空吸盤均為國外進口，價格昂貴，且消耗量大，因此研究并制備新型黑色多孔陶瓷真空吸盤對于消除進口依賴、降低國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

黑色多孔氧化鋁陶瓷的研究

黑色氧化鋁陶瓷是以Al₂O₃為主要成分，過渡金屬氧化物作為著色劑，同時添加燒結(jié)助劑，在一定的溫度下燒結(jié)而成。其中著色劑是此類陶瓷的重要組成，決定了最終呈色。用作真空吸盤的此類陶瓷，在選用著色劑時，要保證真空吸盤的呈色程度、機械強度、孔隙率以及孔徑大小。

過渡金屬氧化物著色劑

目前，國內(nèi)外常用做著色劑的過渡金屬氧化物有Fe₂O₃、CoO、NiO、Cr₂O₃、MnO₂等，其中以Fe₂O₃、CoO、NiO、MnO₂最為常用。因為氧化鋁在高溫下發(fā)揮較弱，而過渡金屬氧化物則相反，溫度越高，揮發(fā)越快。這類氧化物在高溫燒結(jié)時形成尖晶石型化合物，其揮發(fā)性會有所降低。因此，為抑制過渡金屬氧化物的揮發(fā)，應(yīng)選擇合適的工藝條件使其在較低溫度下結(jié)合成尖晶石型化合物。

而黑色氧化鋁中的呈色效果主要是由不同的尖晶石型化合物決定的。下表是各種尖晶石型化合物的顏色。

▲尖晶石類化合物及其顏色

黑色氧化鋁陶瓷的制備

目前，國內(nèi)外常采用兩步燒結(jié)法和一步燒結(jié)法制備此類陶瓷。

一次合成法是將氧化鋁、著色氧化物、助溶劑直接按一定的配比和工藝來制備黑色氧化鋁。此法過程簡單，但陶瓷著色比二次合成法稍差，其原因是Fe₂O₃、Cr₂O₃、CoO、V₂O₅、NiO和Mn₂O₃等著色氧化物在高溫下?lián)]發(fā)性都較強。

二次合成法是先利用一些金屬氧化物合成黑色色料，再把黑色色料、助溶劑、氧化鋁按一定配比和工藝來制備黑色氧化鋁。此法過程比較復(fù)雜，能耗高。

凝膠注模法制備黑色多孔氧化鋁陶瓷

多孔氧化鋁陶瓷是一種基體為氧化鋁，經(jīng)過高溫燒結(jié)，內(nèi)部含有大量相互貫通并且與表面也相通的微孔或孔洞結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。多孔陶瓷內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、特定化學(xué)成分直接影響其形態(tài)和性質(zhì)，而影響孔隙結(jié)構(gòu)最為重要的因素是制備工藝與方法。

凝膠注模法是在陶瓷料漿中添加高分子有機物，利用其產(chǎn)生的聚合反應(yīng)，使得陶瓷料漿原位固結(jié)得到坯體，坯體中的水分蒸發(fā)留下孔隙，最后在高溫下進行燒結(jié)，使坯體中的高分子有機物發(fā)生分解，從而得到具有一定孔隙率的多孔陶瓷材料，用作真空吸盤的黑色多孔氧化鋁陶瓷其氣孔率需達到40%左右。

用該方法制備的陶瓷孔隙率可以達到 95%，孔徑一般為納米級，并且氣孔分布相對均勻。

燒結(jié)助劑與著色劑對黑色多孔氧化鋁陶瓷的影響

在制備黑色多孔氧化鋁陶瓷過程中添加適量的燒結(jié)助劑，由于氧化鋁基體的晶格常數(shù)與某些燒結(jié)助劑相差不大，在燒結(jié)過程中易形成固溶體或者新相，使晶格發(fā)生畸變，從而降低燒結(jié)溫度；氧化物（MnO₂）在燒結(jié)過程中生成了液相，由于液相具有流動性與受到表面作用力的作用，加快了原子的擴散速度，促進混合尖晶石化合物的生成，使陶瓷試樣呈現(xiàn)不同程度的顏色。據(jù)相關(guān)實驗研究，在燒結(jié)助劑的含量相同時，減少氧化鋁的含量、增加著色劑含量，顏色加深。

由于凝膠注模法制備試樣的燒結(jié)溫度為1250℃，溫度較低，由于氧化物Fe₂O₃、MnO₂同時具有著色和助熔作用，因此隨著著色劑含量的逐漸增多，氣孔率會有所下降，之后隨著著色劑含量的進一步增多，MnO₂在溫度較高時會有一定量的氣化，起到類似發(fā)泡的作用，從而使得氣孔率增大。

采用多孔陶瓷制作的真空吸盤使用超細微米級孔和孔間距能夠可靠地處理更薄、更精細的工件。同時，該真空吸盤可以吸附不同尺寸的工件，不需要為不同的工件保持一系列的形狀和尺寸，從而節(jié)省成本和提高工作效率。目前，國內(nèi)對黑色多孔陶瓷真空吸盤仍依賴進口，研究其工藝原理及制備方向?qū)ζ髽I(yè)降低成本具有重大的意義。

參考來源：

趙元豪：黑色多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝研究

張小鋒：黑色氧化鋁陶瓷制備與介電性能的研究

粉體網(wǎng)：黑色氧化鋁陶瓷:長得黑也是一種優(yōu)勢!

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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