新瓷|黑色氧化铝陶瓷：长得黑也是一种优势！

为何选择黑色氧化铝？

黑色氧化铝陶瓷因其独特的遮光性，被广泛应用于集成电路的封装管壳、数码管衬板等领域，晶体振荡器使用黑色Al₂O₃陶瓷封装，可使体积缩小几十倍甚至百倍。

在某些集成电路密封环节，塑料封装材料也可以被加工成黑色，但是黑色塑封料在耐湿性、气密性、化学稳定性及耐热冲击性能等方面较陶瓷封装材料差，难以满足某些特种封装的要求。

在陶瓷封装材料中，AlN陶瓷烧成温度太高且不易通过配方和工艺的调整使之降低，故难以制得黑色AlN陶瓷。BeO陶瓷烧成温度高且粉末有毒，限制了它的使用。纯的Al₂O₃陶瓷本身的烧成温度也是很高的，在助熔剂掺杂及特殊工艺条件下，Al₂O₃陶瓷的烧成温度大大降低，因而以Al₂O₃为主要原料可以得到黑色Al₂O₃陶瓷。

Al₂O₃陶瓷的呈色机理

物质呈现出特定的颜色是由于物质对可见光选择性吸收引起的。若物质对可见光范围内所有波长的光全部吸收，则物质呈现黑色。Al₂O₃陶瓷呈黑色是因为其成分中含有着色氧化物。

着色氧化物主要是过渡金属氧化物。在晶体场作用下，过渡金属元素离子的d轨道发生能级分裂，形成不同的能级，电子在不同能级的d轨道之间跃迁，跃迁能在1-4eV之间，对应着吸收一定波长的光，波长范围正好落在可见光区，使物质呈色，物质呈现的颜色为其所吸收的光波的补色。调整Al₂O₃陶瓷配方中着色氧化物的比例，在一定条件下制得的陶瓷样品，能吸收全部可见光而呈现黑色。

如何呈现黑色

作为电子产品用途的氧化铝陶瓷，由于其应用领域的特殊性，其黑色着色色料的选择则必须要考虑到陶瓷材料的性能。例如，必须考虑到陶瓷材料应具有较高的电阻率，即黑色氧化铝陶瓷在制备的时候就要从色料的选择上考虑到其使用上的要求，不仅要保证陶瓷基板颜色的黑度、机械强度，同时也要保证陶瓷基板的绝缘性、热学性质以及用作电子器件时应具备的其他性能。

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

两种制备方法

制备黑色氧化铝一般采用一次合成法与二次合成法，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。

如何抑制着色氧化物挥发是关键

目前，常用的黑色着色氧化物以Fe₂O₃、CoO、Cr₂O₃、MnO最为常用。这些常用的着色氧化物在高温下的挥发性都较强，并且其挥发速度随温度升高而加快。因此，选择在较低温度下烧成的原料组成对抑制着色氧化物的挥发有直接效果。

着色氧化物在形成尖晶石类化合物后，其高温挥发性会有明显降低。因而在烧成黑色色料时，宜在低温下着色氧化物的挥发性还不明显的温度保温一定时间，使游离态着色氧化物在此温度下尽可能结合成尖晶石类化合物。这样，就能有效地避免着色氧化物在继续升温后的挥发，保证良好的呈色效果。

一些辅料对黑色Al₂O₃陶瓷性能的影响

1、二氧化钛

徐利华以超微细α–氧化铝粉为主要原料，添加适量过渡金属氧化物以及不同分量的TiO₂粉末，采用传统粉末冶金技术、干压烧结法制备了黑色Al₂O₃陶瓷。对制备工艺中的原料准备、压制成型、烧结过程进行了讨论，并对其导电性能进行了测试分析。实验结果表明：TiO₂是一种良好的添加剂，它不仅可以降低烧成温度，还有利于Al₂O₃陶瓷黑色的形成，提高黑色氧化铝陶瓷的体积电阻率，改善其电气性能。

2、二氧化硅

周东祥等用超微细氧化铝(Al₂O₃)，二氧化硅(SiO₂)粉体及适量的过渡金属氧化物，用固相反应法在1350℃空气中烧结得到了致密的黑色Al₂O₃陶瓷。研究了SiO₂掺杂对陶瓷显微结构和电性能的影响。实验表明：在黑色Al₂O₃陶瓷中，SiO₂是一种较好的掺杂剂，它不仅可以降低烧结温度，使陶瓷晶粒细小均匀，同时还可以改善材料的电气性能，使之满足用作晶体振荡器件、光电器件及集成电路器件等的基板及避光封装外壳的要求。

参考来源：

[1]徐利华.二氧化钛对黑色Al₂O₃陶瓷性能的影响

[2]周东祥等.二氧化硅掺杂对黑色氧化铝陶瓷的改性

[3]张小锋等.黑色氧化铝陶瓷制备与介电性能的研究

[4]田修营等.一次合成法合成Fe-Cr-Mn系黑色氧化铝陶瓷及其性能研究

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