中国粉体网讯 近年来，随着太阳能 电池、发光二极管、半导体、液晶显示屏等片式/薄膜电子元件产品性能和产量不断提高，对提供更高精度和性能的元件装夹用真空吸盘的需求越来越大。真空吸盘与真空设备通过连接管接通，当真空吸盘与待加工物如片式/薄膜材料等接触时，真空设备开始工作，使得真空吸盘内产生负压，待加工物在大气压力作用下牢牢贴附在真空吸盘上，即可对待加工物进行相应加工作业。当待加工物完成加工后，真空设备停止工作，缓慢向真空吸盘内充气，加工物自动与真空吸盘分离，完成对待加工物的装夹、加工和搬运等工序。
传统真空吸盘为通孔式金属吸盘，如铝合金、不锈钢等吸盘，由于吸附孔的尺寸较大，在对片式/薄膜元件进行吸附固定时，气体压力会导致薄片或薄膜材料在吸附孔附近产生局部弹性变形，给电路印刷等后续加工操作等带来不利影响。目前通常采用气孔尺寸微米级的多孔陶瓷作为真空吸盘，同时，为避免电子元件光刻加工时吸盘反射杂光造成干扰，真空吸盘的颜色要求为黑色。
我国电子元器件生产厂家目前所用黑色多孔陶瓷真空吸盘均为国外进口，价格昂贵，且消耗量大，因此研究并制备新型黑色多孔陶瓷真空吸盘对于消除进口依赖、降低国内企业的生产成本具有重要的意义和广阔的应用前景。
黑色多孔氧化铝陶瓷的研究
黑色氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要成分，过渡金属氧化物作为着色剂，同时添加烧结助剂，在一定的温度下烧结而成。其中着色剂是此类陶瓷的重要组成，决定了最终呈色。用作真空吸盘的此类陶瓷，在选用着色剂时，要保证真空吸盘的呈色程度、机械强度、孔隙率以及孔径大小。
过渡金属氧化物着色剂
目前，国内外常用做着色剂的过渡金属氧化物有Fe2O3、CoO、NiO、Cr2O3、MnO2等，其中以Fe2O3、CoO、NiO、MnO2最为常用。因为氧化铝在高温下发挥较弱，而过渡金属氧化物则相反，温度越高，挥发越快。这类氧化物在高温烧结时形成尖晶石型化合物，其挥发性会有所降低。因此，为抑制过渡金属氧化物的挥发，应选择合适的工艺条件使其在较低温度下结合成尖晶石型化合物。
而黑色氧化铝中的呈色效果主要是由不同的尖晶石型化合物决定的。下表是各种尖晶石型化合物的颜色。
▲尖晶石类化合物及其颜色
黑色氧化铝陶瓷的制备
目前，国内外常采用两步烧结法和一步烧结法制备此类陶瓷。
一次合成法是将氧化铝、着色氧化物、助溶剂直接按一定的配比和工艺来制备黑色氧化铝。此法过程简单，但陶瓷着色比二次合成法稍差，其原因是Fe2O3、Cr2O3、CoO、V2O5、NiO和Mn2O3等着色氧化物在高温下挥发性都较强。
二次合成法是先利用一些金属氧化物合成黑色色料，再把黑色色料、助溶剂、氧化铝按一定配比和工艺来制备黑色氧化铝。此法过程比较复杂，能耗高。
凝胶注模法制备黑色多孔氧化铝陶瓷
多孔氧化铝陶瓷是一种基体为氧化铝，经过高温烧结，内部含有大量相互贯通并且与表面也相通的微孔或孔洞结构的陶瓷材料。多孔陶瓷内部的孔隙结构、特定化学成分直接影响其形态和性质，而影响孔隙结构最为重要的因素是制备工艺与方法。
凝胶注模法是在陶瓷料浆中添加高分子有机物，利用其产生的聚合反应，使得陶瓷料浆原位固结得到坯体，坯体中的水分蒸发留下孔隙，最后在高温下进行烧结，使坯体中的高分子有机物发生分解，从而得到具有一定孔隙率的多孔陶瓷材料，用作真空吸盘的黑色多孔氧化铝陶瓷其气孔率需达到40%左右。
用该方法制备的陶瓷孔隙率可以达到 95%，孔径一般为纳米级，并且气孔分布相对均匀。
烧结助剂与着色剂对黑色多孔氧化铝陶瓷的影响
在制备黑色多孔氧化铝陶瓷过程中添加适量的烧结助剂，由于氧化铝基体的晶格常数与某些烧结助剂相差不大，在烧结过程中易形成固溶体或者新相，使晶格发生畸变，从而降低烧结温度；氧化物（MnO2）在烧结过程中生成了液相，由于液相具有流动性与受到表面作用力的作用，加快了原子的扩散速度，促进混合尖晶石化合物的生成，使陶瓷试样呈现不同程度的颜色。据相关实验研究，在烧结助剂的含量相同时，减少氧化铝的含量、增加着色剂含量，颜色加深。
由于凝胶注模法制备试样的烧结温度为1250℃，温度较低，由于氧化物Fe2O3、MnO2同时具有着色和助熔作用，因此随着着色剂含量的逐渐增多，气孔率会有所下降，之后随着着色剂含量的进一步增多，MnO2在温度较高时会有一定量的气化，起到类似发泡的作用，从而使得气孔率增大。
采用多孔陶瓷制作的真空吸盘使用超细微米级孔和孔间距能够可靠地处理更薄、更精细的工件。同时，该真空吸盘可以吸附不同尺寸的工件，不需要为不同的工件保持一系列的形状和尺寸，从而节省成本和提高工作效率。目前，国内对黑色多孔陶瓷真空吸盘仍依赖进口，研究其工艺原理及制备方向对企业降低成本具有重大的意义。
参考来源：
赵元豪：黑色多孔氧化铝陶瓷的制备工艺研究
张小锋：黑色氧化铝陶瓷制备与介电性能的研究
粉体网：黑色氧化铝陶瓷:长得黑也是一种优势!
（中国粉体网编辑整理/空青）
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