一種鋁釔摻雜氧化鋅陶瓷靶材及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于無機(jī)材料合成領(lǐng)域，具體涉及一種成分均勻、高純度、高密度、低成本的鋁釔摻雜氧化鋅陶瓷靶材(AYZO)及其制備方法。
背景技術(shù)：
：鋁釔摻雜氧化鋅靶材是透明導(dǎo)電薄膜、顯示器及薄膜太陽能電池等必須的功能材料。當(dāng)前制備鋁摻雜氧化鋅的靶材方法可歸納為：熱壓燒結(jié)、熱等靜壓、冷等靜壓加燒結(jié)和傳統(tǒng)的注漿成型方法。熱等靜壓、冷等靜壓成本高，成分不均勻而且產(chǎn)品純度容易受影響，注漿成型雖然成本低但是生坯容易開裂，由于有添加劑產(chǎn)品純度不高。因此現(xiàn)有技術(shù)中急需一種更為優(yōu)化的制備方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種成分均勻、高純度、高密度、低成本的鋁釔摻雜氧化鋅靶材及其制備方法，所述方法包括將混合粉體通過在水溶劑中近凈尺寸原位固化成型，不添加或添加極少的有機(jī)物，產(chǎn)生密度高、強(qiáng)度高、均勻性好、形狀不受限制的生坯。燒結(jié)成型后的陶瓷靶材純度大于99.95％，密度大于99％，可達(dá)到99.95％。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述制備方法包括將氧化鋅粉末、氧化鋁粉末、氧化釔粉末、水和分散劑在球磨機(jī)進(jìn)行球磨后，加入固化劑，形成強(qiáng)度和可靠性高的生坯。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述制備方法包括如下步驟：(1)將分散劑配置成0.6-1.0wt％的預(yù)制溶液，加入平均粒徑0.02-1微米的氧化鋁粉末、平均粒徑0.04-1微米的氧化釔粉末和平均粒徑0.2-0.5微米的氧化鋅粉末，在球磨機(jī)中球磨8-12小時(shí)或高速攪拌，制備成高流動(dòng)性漿料，漿料中原粉體的體積比為55％-70％；(2)在漿料中加入0.6-1.0wt％MgO的固化劑，澆注到模具中，靜置12-16小時(shí)；(3)將固化的濕坯脫模，在常溫下固化15-300鐘，或在60℃烘箱中加熱5-90分鐘，得到干燥的生坯；(4)將干燥的生坯在燒結(jié)爐中升溫至400-600℃，保溫0.5-1小時(shí)，然后升溫至1300-1550℃，保溫5-8小時(shí)，燒結(jié)成致密陶瓷，加工成型得到鋁釔摻雜氧化鋅靶材。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的分散劑為聚丙烯酸銨。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，粉末原料的尺寸為300-1000納米。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，粉末原料的純度大于99.99％。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述球磨采用氧化鋯或氧化鋁球。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的固化劑為氧化鎂。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的氧化鋅粉末和氧化鋁粉末為混合粉末，采用化學(xué)共沉淀法制備或兩種粉末球磨混合，純度大于99.97％。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的模具的材料為無孔洞不吸水的塑料、玻璃、金屬材料，優(yōu)選為不銹鋼模具。所謂的原位固化成型就是利用酶或自身催化反應(yīng)，使?jié){料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來增加漿料中的鹽離子濃度或調(diào)節(jié)漿料中的酸堿濃度至等電點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)漿料的固化。懸浮液的制備與固化過程的控制是成型技術(shù)的關(guān)鍵。將生坯在推板燒結(jié)爐中于1300-1550℃進(jìn)行燒結(jié)并保溫5-8小時(shí)，制備成本低，成分均勻，晶粒小(圖2)純度高,密度可達(dá)99.95％的各類形狀的鋁釔摻雜氧化鋅靶材。本發(fā)明提供了一種以氧化鋅為成分的磁控濺射生產(chǎn)透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜用鋁釔摻雜氧化鋅靶材及其原位固化成型生產(chǎn)生坯的方法。生產(chǎn)的靶材不受形狀限制，成分均勻，生坯強(qiáng)度好(圖1)，不易開裂，成品率高，燒結(jié)成型的陶瓷成分均勻、純度高、密度大、達(dá)到99.97％。本發(fā)明的制造技術(shù)用于摻雜的氧化鋅透明導(dǎo)電氧化物靶材的生產(chǎn)，具有固化時(shí)間短，生坯強(qiáng)度高，不容易產(chǎn)生裂紋，成品率高，成分均勻，成本低，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高密度靶材的生產(chǎn)，尤其是大規(guī)模工業(yè)化高品質(zhì)的摻雜氧化鋅導(dǎo)電氧化物陶瓷靶材生產(chǎn)，產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)均勻，密度高，明顯優(yōu)于目前的其它生產(chǎn)技術(shù)，而且形狀不受限制，能夠生產(chǎn)大尺寸一體化的各種靶材如平面靶和旋轉(zhuǎn)靶。附圖說明以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1為原位固化成型法生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁釔摻雜氧化鋅(AYZO)生坯；圖2為燒結(jié)成型的鋁釔摻雜氧化鋅(AYZO)透明導(dǎo)電鋁釔摻雜氧化鋅(AYZO)氧化物陶瓷的金相顯微結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。實(shí)施例1(1)制備混合漿料：首先將分散劑聚丙烯酸銨與去離子水按0.6：99.4比例混合均勻；然后加入平均粒徑200納米99.99％的氧化鋅粉末、平均粒徑30納米99.99％的氧化鋁和平均粒徑30納米99.99％的氧化釔粉末，其中ZnO:Al2O3:Y2O3重量比為98：1.9：0.1，漿料中原粉體的體積為比為55％；(2)將上述漿料放入球磨機(jī)中用氧化鋁球進(jìn)行球磨8小時(shí)，制備成低粘度高流動(dòng)性漿料；(3)在漿料中加入0.6wt％MgO固化劑，進(jìn)行機(jī)械攪拌10分鐘，澆注到不銹鋼模具中，靜置12小時(shí)；(4)將固化的濕坯脫模，在常溫下固化3小時(shí)，得到干燥的生坯；(5)將生坯在空氣氣氛推板燒結(jié)爐中升溫至400℃，保溫1.5小時(shí)，然后升溫1350℃保溫5小時(shí)燒結(jié)成鋁釔摻雜氧化鋅致密陶瓷，機(jī)械加工成型得到所需要的鋁釔摻雜氧化鋅靶材。用金相顯微鏡、阿基米德密度測量儀、四探針電阻測量儀的晶粒尺寸、密度、導(dǎo)電性進(jìn)行表征，表征結(jié)果見下表1。表1實(shí)例一密度(g/cm3)相對密度塊體電導(dǎo)率(Ω.cm)晶粒尺寸(μm)AYZO5.5699.95％2.1×10-312實(shí)施例2(1)制備混合漿料：首先將分散劑聚丙烯酸銨與去離子水按0.8：99.2比例混合均勻；然后加入平均粒徑200納米99.99％的氧化鋅粉末、平均粒徑30納米99.99％的氧化鋁和平均粒徑30納米99.99％的氧化釔粉末，其中ZnO:Al2O3:Y2O3重量比為97.85：2：0.15，漿料中原粉體的體積為比為55％；(2)將上述漿料放入球磨機(jī)中用氧化鋁球進(jìn)行球磨5小時(shí)，制備成低粘度高流動(dòng)性漿料；(3)在漿料中加入0.8wt％MgO固化劑，進(jìn)行機(jī)械攪拌10分鐘，澆注到不銹鋼模具中，靜置10小時(shí)；(4)將固化的濕坯脫模，在60℃固化1.5小時(shí)，得到干燥的生坯；(5)將生坯在空氣氣氛推板燒結(jié)爐中升溫至600℃，保溫1小時(shí)，然后升溫1450℃保溫5小時(shí)燒結(jié)成鋁釔摻雜氧化鋅致密陶瓷，機(jī)械加工成型得到所需要的鋁釔摻雜氧化鋅靶材。用金相顯微鏡、阿基米德密度測量儀、四探針電阻測量儀的晶粒尺寸、密度、導(dǎo)電性進(jìn)行表征。表征結(jié)果見下表2。表2實(shí)例二密度(g/cm3)相對密度塊體電導(dǎo)率(Ω.cm)晶粒尺寸(μm)AYZO5.5499.70％3.2×10-320實(shí)施例3(1)制備混合漿料：首先將分散劑聚丙烯酸銨與去離子水按0.6：99.4比例混合均勻；然后加入平均粒徑200納米99.99％的氧化鋅粉末、平均粒徑30納米99.99％的氧化鋁和平均粒徑30納米99.99％的氧化釔粉末，其中ZnO:Al2O3:Y2O3重量比為97.8：1.95：0.25，漿料中原粉體的體積為比為55％；(2)將上述漿料放入球磨機(jī)中用氧化鋁球進(jìn)行球磨8小時(shí)，制備成低粘度高流動(dòng)性漿料；(3)在漿料中加入1.0wt％MgO固化劑，進(jìn)行機(jī)械攪拌10分鐘，澆注到塑料模具中，靜置10小時(shí)；(4)將固化的濕坯脫模，在50℃固化2小時(shí)，得到干燥的生坯；(5)將生坯在空氣氣氛推板燒結(jié)爐中升溫至500℃，保溫1小時(shí)，然后升溫1550℃保溫8小時(shí)燒結(jié)成鋁釔摻雜氧化鋅致密陶瓷，機(jī)械加工成型得到所需要的鋁釔摻雜氧化鋅靶材。用金相顯微鏡、阿基米德密度測量儀、四探針電阻測量儀的晶粒尺寸、密度、導(dǎo)電性進(jìn)行表征。表征結(jié)果見表3。表3實(shí)例三密度(g/cm3)相對密度塊體電導(dǎo)率(Ω.cm)晶粒尺寸(μm)AYZO5.4499.50％4.5×10-330上述實(shí)施例1-3的產(chǎn)品的純度可測得均為99.99％?？梢?，本發(fā)明制備得到的旋轉(zhuǎn)靶材的尺寸不受限制，簡單高效，成本低、成分均勻，晶粒小(圖2)、純度高,密度均高于99％，可達(dá)99.95％，明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。以上具體實(shí)施方式描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受上述實(shí)施例的限制，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或者替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3