封接用铋酸盐微晶玻璃的制备.pdf

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1、第 33 卷? 第 3 期 2011 年 3 月 武? 汉? 理? 工 ? 大? 学? 学? 报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 33? No. 3 ? Mar. 2011 DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671?4431. 2011. 03. 003 封接用铋酸盐微晶玻璃的制备 周军林, 卢安贤, 李 ? 婧, 罗志伟, 李韶华, 厉江华 (中南大学材料科学与工程学院, 长沙 410083 ) 摘? 要: ? 采用常规熔体冷却法和玻璃粉末低温烧结法制备了铋酸盐基础玻璃及其微晶玻璃。利用扫描示差量热 ( DSC)

2、、 X 射线衍射(XRD)、 热膨胀系数、 抗弯强度等分析测试方法研究了基础玻璃的特征温度、 析晶、 热处理温度对玻 璃析晶以及对微晶玻璃热膨胀系数、 抗弯强度的影响。结果表明: 基础玻璃的热膨胀系数随 Bi2O3含量的增加而递增; 玻 璃化转变温度和软化温度随 Bi2O3含量的增加而递减; Bi2O3含量不同, 低温处理下获得的晶相种类相同, 而高温处理下 获得的晶相种类不同。在 400 ? 、 500 ? 、 600 ? 晶化处理时, 50Bi2O3?20B2O3?15ZnO?10BaO 组成玻璃析出的晶相分别 是 Bi45BO69/Bi2O3、Bi2O3/ Bi24B2O39和 Bi24

3、B2O39; 65Bi2O3?5B2O3?15ZnO ?10BaO 组成 玻 璃 析 出的 晶 相 分别 是 Bi45BO69/ Bi2O3、 Bi2O3和 Bi38ZnO58。 关键词: ? 铋酸盐; ? 封接玻璃; ? 微晶玻璃; ? 制备技术 中图分类号: ? TQ 171文献标识码: ? A文章编号: 1671?4431(2011)03 ?0010 ?05 Preparation of Bismuthate Glass?ceramics Used for Sealing ZH OU Jun?lin, L U An?x ian, LI Jing, L UO Zhi?wei, LI Sha

4、o?hua, LI Jiang?hua ( School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China) Abstract: ?The bismuthate glass and glass?ceramics were preprared by conventional melting?quenching method and low? temperature sintering method of glass powder, respectively. Differe

5、ntial scanning calorimetry ( DSC) , X ?ray diffraction ( XRD) , thermal expansion coefficient , bending strength measurement were used to study the characteristic temperature and crystallization of basis glass , the effects of thermal treatment temperature on crystallization of the glasses as well a

6、s thermal expansion coefficient , bending strength of the glass?ceramics. T he results showed that the thermal expansion coef? ficient of the basis glass increases with increasing content of Bi2O3, the glass transition temperature and softening tempera ? ture of the basis glass decrease with increas

7、ing content of Bi2O3.When the glasses were treated at lower temperature, the types of crystalline phase in glass?ceramics with different Bi2O3content were the same. However, the types of crystalline phase were different , when the glasses were treated at higher temperature. When the glasses were tre

8、ated at 400 ? 、 500 ? 、 600 ? , 50Bi2O3? 20B2O3?15ZnO?10BaO composition of glass were precipitated Bi45BO69/Bi2O3、 Bi2O3/ Bi24B2O39and Bi24B2O39, respectively, but 65Bi2O3?5B2O3?15ZnO?10BaO composition of glass were precipitated Bi45BO69/Bi2O3、 Bi2O3 and Bi38ZnO58, respectively. Key words: ?bismutha

9、te; ? sealing glass; ? glass?ceramics; ? preparation technology 收稿日期: 2010?11?24 基金项目: 长沙市重点科技攻关项目( K1003027?11). 作者简介: 周军林( 1986?) , 男, 硕士生. E ?mail: zhoujunlin52 yahoo. com. cn 由于低温封接玻璃具有良好的气密性、 耐热性、 电绝缘性能以及较低的封接温度而广泛应用于电真空、 微电子技术、 介电材料等领域 1 ?2。常见的低温封接玻璃有硼酸盐体系玻璃、 磷酸盐体系玻璃、 钒酸盐体系玻 璃以及铋酸盐体系玻璃。长期以来, 国

10、内外科研工作者对铅硼体系和磷锌体系玻璃进行了大量的研究 3?6 , 并已应用于封接工艺。近年来, 随着人们环保意识的增强和各种相关法规的出台, 曾广泛使用的低温封接玻 璃体系 PbO?ZnO?B2O3 w( PbO) 50% , 逐渐被无铅系玻璃所取代 7。以 P2O5?ZnO 为主要组成的磷酸盐 玻璃也因其化学稳定性差而限制了应用范围 8。铋酸盐玻璃因其具有较低的软化、 封接温度和良好的化学 稳定性, 成为一种非常有前途的封接玻璃材料。虽然国外对铋系封接玻璃做过不少的研究 9?13 , 但国内有关 铋酸盐封接玻璃的论文和专利极少, 相关研究还处于初级阶段 7, 14? 15。作者采用熔体冷却

11、法成功制备了 Bi2 O3?B2O3?ZnO?BaO( BBZB) 系玻璃, 并通过热处理而制得 BBZB 体系微晶玻璃。研究了 Bi2O3含量对体系玻 璃化转变温度、 软化温度的影响, 并通过改变微晶化处理的温度来调节析出晶相种类和含量, 分析体系热处 理条件的变化对微晶玻璃热膨胀系数和力学性能的影响。 1 ? 实 ? 验 1. 1? 实验原料以及玻璃的组成 实验所用原料均为分析纯, 其中 BaO 以 BaCO3引入, B2O3以 H3BO3引入, 其他的氧化物均以其氧化物 的形式引入, 制备铋酸盐玻璃的氧化物组成如表 1 所示。 1. 2? 样品的制备 1. 2. 1? 基础玻璃的制备 将

12、表 1 所示各组成玻璃的氧化物换算成对应原料, 经称量、 研磨、 均匀混合并过 100 目筛而制成熔制玻 璃的配合料。将配合料装入刚玉坩埚在硅钼电炉内加热至 1 000 ? , 保温 1 h。随后, 将熔制好的玻璃液浇 注到预热温度为300 ? 的铁模具中成形, 并送入电阻炉中退火( 退火温度 300 ? , 时间 2 h) 。最后, 样品随炉 冷却至室温, 制得无气泡、 透明、 淡黄色的基础玻璃。 1. 2. 2? 微晶玻璃的制备 将基础玻璃粉碎, 用氧化锆球作研磨介质, 在行星球磨 机上球磨 6 h, 球磨后的玻璃粉末过200 目筛。取适量的玻 璃粉末和粘结剂 7( 含 PVB 为 6%的

13、酒精溶液) , 采用机械 搅拌混合使之均匀化, 然后将粉体在 30 MPa 下压制成长 55 mm、 宽 6 mm、 厚度为 2 4 mm 的长条。试样分别于 400 ? 、 500 ? 、 600 ? 烧结 1 h 得到析出不同晶相的微晶 玻璃。 表 1? 铋酸盐封接玻璃的化学组成(摩尔分数) / % 编号氧化钡氧化铋氧化锌氧化硼其他 1#105015205 2#105515155 3#106015105 4#10651555 1. 3? 性能测试 1. 3. 1? 扫描示差量热分析( DSC) 将小块基础玻璃粉碎, 放入玛瑙研钵中研磨, 过 200 目筛, 用小于 200 目的玻璃粉进行

14、DSC 测试。采用 德国耐驰公司生产的 449C 综合热分析仪测定试样的 DSC 曲线, 升温速率为 5 ? / min。测试温度范围为室 温至 700 ? 。 1. 3. 2? X 射线衍射分析( XRD) 将不同组分、 不同烧结温度下获得的微晶玻璃研磨成粉末, 过 200 目筛。采用日本理学公司生产的 3014 型 X 射线分析仪测定微晶玻璃的衍射谱。实验条件: Cu 靶, 扫描范围 10 80 , 扫描速度 8( ) / min, 测 试温度为室温。 1. 3. 3? 热膨胀曲线测定 将基础玻璃加工成长度为 20 mm、 截面的对角线小于 5 mm 的矩形棒, 采用 Netzsch DI

15、L420C 卧式膨胀 仪测定样品的热膨胀曲线, 升温速度为 5 ? / min, 测试温度范围为室温至 450 ? 。 1. 3. 4? 抗弯强度测试 将样品加工成 30 mm ! 5 mm ! 3 mm 的长条, 用长春试验机研究所研制的 CSS?44100 电子万能试验机 测定微晶玻璃的抗弯强度。 11 第 33 卷? 第 3 期? ? ? ? ? ? ? ? 周军林, 卢安贤, 李? 婧, 等: 封接用铋酸盐微晶玻璃的制备 2 ? 结果分析与讨论 2. 1 扫描示差量热分析(DSC)及特征温度 ? ? 图 1 是 1 # 4 # 基础玻璃的扫描示差量热分析( DSC) 曲线。由图 1 可

16、知 1 # 4 # 基础玻璃的转变温度( Tg) 分别是 371 ? 、 350 ? 、 348 ? 、 345 ? , 第 一析晶峰温度( Tx) 分别为 454 ? 、 435 ? 、 405 ? 、 396 ? 。这表明 BBZB 体 系玻璃随着 Bi2O3含量的增加, 玻璃化转变温度逐渐降低, 析晶峰温度也逐 渐降低。当 Bi2O3含量超过 55% 后, 对降低玻璃化转变温度的作用不再显 著。Hruby Czech 用 ?T = Tx- Tg来衡量玻璃的抗失透性能, ?T 越大, 则 玻璃越稳定, 抗失透能力越强 6。经计算, 1# 4#玻璃的?T 分别为 83 ? 、 表 2? BB

17、ZB 体系各组成玻璃的 特征温度/ ? 编号TgTfTx?T 1# 37138545483 2# 35037043585 3#34836140557 4#34535539651 85 ? 、 57 ? 、 51 ? 。成茵等人也曾研究过 B2O3?Bi2O3体系玻 璃, 其 Bi2O3含量为 50% 、 55%、 60% 时的 ?T 分别为 91. 5 ? 、 68. 3 ? 、 50. 6 ? 6 。就该实验而言, 随 Bi2O3含量的增加, BBZB 体系玻璃的稳定性下降, 而析晶能力增强。从图 1 还可 以看到, 1# 4#基础玻璃的 DSC 曲线上都有 2 个或 2 个以上 的放热峰,

18、 表明各试样在热处理过程中将有多种晶相析出。 由热膨胀曲线测得 1# 4#玻璃的软化温度( Tf) 分别为 385 ? 、 370 ? 、 361 ? 、 355 ? , 表明 BBZB 体系玻璃的软化温度 均低于 400? 。且随着 Bi2O3含量的增加, Tf持续降低。各组成 玻璃的特征温度列于表 2。何峰 14等人研究了 Bi2O3?ZnO? B2O3体系玻璃 w( Bi2O3) = 75. 2% , 其玻璃化转变温度( Tg) 为 415 456 ? , 软化温度( Tf) 为 455 513 ? 。华有杰、 徐时清等 16人发明了一种 Bi2O3?ZnO?B2O3体系玻璃 专利 71

19、% w( Bi2O3) 91% , 其玻璃化转变温度为 350 385 ? 。其 w( Bi2O3) = 91%时的玻璃化转变温 度为 350 ? , 略高于该实验 BBZB 体系中的 4#( 90%) 。 2. 2? 微晶玻璃 X 射线衍射分析 由 DSC 分析可知, BBZB 体系玻璃的特征温度随 Bi2O3含量的增加呈现有规律的变化, 但变化幅度较 小。因此, 文中选取 1 # 和 4 # 玻璃进行微晶化处理。图 2 是1 # 玻璃在不同温度( 400 ? 、 500 ? 、 600 ? ) 微晶 化处理后的 X 射线衍射图。结果表明, 1#玻璃在 400 ? 晶化时, 析出的主晶相是

20、Bi45BO69, 次晶相是 Bi2O3; 晶化温度升至 500 ? 时, 析出主晶相为Bi2O3, 次晶相为Bi24B2O39; 当晶化温度进一步升高到600 ? 时, 玻璃 中析出单一晶相 Bi24B2O39。总之, 随着晶化温度的升高, 1#试样的主晶相呈现 Bi45BO69Bi2O3Bi24B2O39 的变化规律, 晶相从多晶变成单晶, 表明低温时形成的微晶体在较高晶化温度下, 或发生熔化, 或晶型转变。 图 3是 4#玻璃在不同温度( 400 ? 、 500 ? 、 600 ? ) 下微晶化处理后的 X 射线衍射图。由图 3 可知, 4#玻璃 在 400 ? , 500 ? , 60

21、0 ? 晶化时的主晶相分别是 Bi45BO69、 Bi2O3、 Bi38ZnO58。随着晶化温度的升高, 主晶相 呈现从 Bi45BO69Bi2O3Bi38ZnO58的变化规律, 析晶行为与 1#玻璃基本相似。 12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 武? 汉? 理? 工? 大? 学? 学? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2011 年 3 月 对比图 2和图 3, 可以发现, 1 # 玻璃和 4 # 玻璃在 400 ? 和 500 ? 微晶化处理时析出的主晶相种类相同, 在 600 ? 晶化处理时, 1#玻璃析出的是 Bi24B2O39晶体, 4#玻璃析出

22、的是 Bi38ZnO58。这表明在低温( 400 ? 、 500 ? ) 微晶化处理时, Bi2O3含量对析出晶相种类的影响不大, 析出晶相种类主要受晶化温度的影响。但在 600 ? 晶化处理时, 随着 Bi2O3含量的增加、 B2O3含量的降低, ZnO 逐渐取代 B2O3参与晶相的形成。 2. 3? 热膨胀系数分析 ? ? 表 3 是基础玻璃的热膨胀系数, 由 表 3可知, 1 # 4 # 基础玻璃在 100 300 ? 时的平均热膨胀系数在 9. 77 ! 10 - 6 10. 74! 10- 6之间, 玻璃的热膨胀系数随着 Bi2O3含量的增加呈现递增的趋势。玻璃 的热膨胀系数的大小与

23、原子间键强以及玻 璃 结 构 密 切 相 关 17。 Bi # O键 强 (342.9 kJ/ mol)比 B# O 键强( 806. 8 kJ/ mol) 小, 何峰、 乔文杰以及Ardelean L 14?15,18的红外 表 3? 基础玻璃的热膨胀系数( 100 300 ? ) 编号1#2#3#4# 热膨胀系数/10- 6 9. 7710. 0610. 4810. 74 表 4? 微晶玻璃的热膨胀系数( 100 300 ? ) 编号 热膨胀系数/ 10- 6 在 400 ? 晶化处理在 500 ? 晶化处理在 600 ? 晶化处理 1#9. 8810. 1411. 44 4#10. 95

24、8. 6811. 37 光谱研究表明: 在 Bi2O3?B2O3体系玻璃中主要有 BO3 、 BO4 、 BiO3 、 BiO6 这 4 种基团, 在 Bi2O3含量较 低时, 体系的主要网络形成体为 B2O3, Bi2O3部分参与玻璃网络, 部分做为网络修饰体, 随着 Bi2O3含量的增 加, 网络结构由硼氧结构为主转变为铋氧结构为主。而硼氧结构( BO3 、 BO4 ) 之间的连接比铋氧结构 ( BiO3 、 BiO6 ) 之间的连接更紧密 15。因此随着 Bi2O3含量的增加, B2O3含量的较少, 玻璃的热膨胀系数 增大。 表 4 是1 # 和 4 # 玻璃在不同温度晶化处理后的热膨胀

25、系数。由表 4 可见, 随着微晶化温度的升高, 1 # 微 晶玻璃试样的热膨胀系数呈现递增的趋势, 而 4#微晶玻璃试样的热膨胀系数先降低后升高。影响微晶玻璃 热膨胀系数的主要因素有: 玻璃组成、 晶相种类及其含量、 热处理温度 19。在玻璃组成相同的情况下, 热膨 胀系数的不同主要是由热处理温度引起的析出晶相的种类及含量的不同引起的。1 # 玻璃随着晶化温度的 升高, 析出的晶相由 Bi45BO69Bi2O3 Bi24B2O39转变。4#玻璃随着晶化温度的升高, 析出的晶相由 Bi45BO69Bi2O3Bi38ZnO58转变。由表 4 可知: 在 400 ? 微晶化处理时, 1#微晶玻璃比

26、4#微晶玻璃的热膨 胀系数小; 而在 500 ? 和 600 ? 晶化处理时, 1#微晶玻璃比 4#微晶玻璃的热膨胀系数大。从 DSC 和 XRD 图谱可以看出, 4#玻璃比 1#玻璃的析晶能力强, 在同样的热处理条件( 晶化温度与时间) 下, 4#玻璃比 1#玻 璃有更高的结晶度; 同时, 由于 Bi45BO69晶体不是一种稳定的晶相 10 , 其热膨胀系数比基础玻璃的热膨胀系 数大, 而 Bi2O3晶体的热膨胀系数比基础玻璃的热膨胀系数小。当 1 # 玻璃和 4 # 玻璃在 400 ? 晶化时, 两种 玻璃都析出 Bi45BO69主晶相和 Bi2O3次晶相, 由于 4#玻璃析出较多的晶相,

27、 残留较少的玻璃相, 因此, 有较高 的热膨胀系数。在 500 ? 晶化处理时, 1#玻璃析出的晶相为 Bi2O3和 Bi24B2O39, 4#微晶玻璃析出的晶相为 Bi2O3。一方面, 尽管 1#玻璃试样中有较高的 B2O3含量, 但随着 Bi24B2O39的形成, 玻璃相中的 B2O3大大减 少, 而尽管 4#玻璃试样中有较少的 B2O3含量, 但由于只是析出 Bi2O3微晶体, 玻璃相中 B2O3含量并没有减 少; 另一方面, Bi24B2O39晶体有较高的热膨胀系数, 而 Bi2O3晶体有较低的热膨胀系数。因此, 4#微晶玻璃比 1 # 微晶玻璃有更低的热膨胀系数。在 600 ? 晶化

28、处理时, 1 # 玻璃析出单 一晶相 Bi24B2O39, 4#玻璃析出单一晶相 Bi38ZnO58, 热膨胀系数的不同, 显然与残余玻璃相组成、 析出晶相种类及其含量有关, 原因复杂, 有待进 一步的研究。 2. 4? 抗弯强度分析 图 4 是热处理温度与微晶玻璃抗弯强度的关系曲线。影响微晶玻璃 抗弯强度的因素有很多, 归纳起来主要有: 1) 结晶相的颗粒和体积分数; 2) 界面的结合强度; 3) 不同的弹性模量; 4) 不同的热膨胀性能 19 。由图 4 可知, 1#微晶玻璃和 4#微晶玻璃在 500 ? 晶化处理比在 400 ? 晶化处理 的抗弯强度大; 1#微晶玻璃在 500 ? 晶化

29、处理的抗弯强度最大, 4#微晶玻璃在 600 ? 晶化处理的抗弯强度 最大, 并且随着晶化温度的升高, 玻璃强度呈递增的趋势。由于影响因素复杂, 有关机理有待进一步研究。 13 第 33 卷? 第 3 期? ? ? ? ? ? ? ? 周军林, 卢安贤, 李? 婧, 等: 封接用铋酸盐微晶玻璃的制备 3 ? 结 ? 论 a. 成功制备了转变温度低、 软化温度低的铋酸盐基础玻璃, 其玻璃转变温度、 软化温度随着 Bi2O3含量 的增加而递减, 热膨胀系数随着 Bi2O3含量的增加而递增。 b. Bi2O3含量不同, 低温处理获得的晶相种类相同; 高温处理下获得的晶相种类不同。在 400 ? 、

30、500 ? 、 600 ? 温度下处理时, 50Bi2O3?20B2O3?15ZnO?10BaO 组成玻璃析出的晶相分别 Bi45BO69/ Bi2O3、 Bi2 O3/ Bi24B2O39和 Bi24B2O39; 65Bi2O3?5B2O3?15ZnO?10BaO 组成玻璃析出的晶相分别是 Bi45BO69/ Bi2O3、 Bi2 O3和 Bi38ZnO58; c. 50Bi2O3?20B2O3?15ZnO?10BaO 组成玻璃在 500 ? 微晶化处理时具有最大的抗弯强度, 65Bi2O3? 5B2O3?15ZnO?10BaO 组成玻璃在 600 ? 微晶化处理时具有最大的抗弯强度。 参考

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