中國粉體網訊 黑色氧化鋁陶瓷因其獨特的遮光性，被廣泛應用于集成電路的封裝管殼、數碼管襯板等領域，晶體振蕩器使用黑色Al2O3陶瓷封裝，可使體積縮小幾十倍甚至百倍。
在某些集成電路密封環節，塑料封裝材料也可以被加工成黑色，但是黑色塑封料在耐濕性、氣密性、化學穩定性及耐熱沖擊性能等方面較陶瓷封裝材料差，難以滿足某些特種封裝的要求。
圖片來源：宜興市凱宏陶瓷有限公司
在陶瓷封裝材料中，AlN陶瓷燒成溫度太高且不易通過配方和工藝的調整使之降低，故難以制得黑色AlN陶瓷。BeO陶瓷燒成溫度高且粉末有毒，限制了它的使用。純的Al2O3陶瓷本身的燒成溫度也是很高的，在助熔劑摻雜及特殊工藝條件下，Al2O3陶瓷的燒成溫度大大降低，因而以Al2O3為主要原料可以得到黑色Al2O3陶瓷。
Al2O3陶瓷的呈色機理
物質呈現出特定的顏色是由于物質對可見光選擇性吸收引起的。若物質對可見光范圍內所有波長的光全部吸收，則物質呈現黑色。Al2O3陶瓷呈黑色是因為其成分中含有著色氧化物。
著色氧化物主要是過渡金屬氧化物。在晶體場作用下，過渡金屬元素離子的d軌道發生能級分裂，形成不同的能級，電子在不同能級的d軌道之間躍遷，躍遷能在1-4eV之間，對應著吸收一定波長的光，波長范圍正好落在可見光區，使物質呈色，物質呈現的顏色為其所吸收的光波的補色。調整Al2O3陶瓷配方中著色氧化物的比例，在一定條件下制得的陶瓷樣品，能吸收全部可見光而呈現黑色。
如何呈現黑色
作為電子產品用途的氧化鋁陶瓷，由于其應用領域的特殊性，其黑色著色色料的選擇則必須要考慮到陶瓷材料的性能。例如，必須考慮到陶瓷材料應具有較高的電阻率，即黑色氧化鋁陶瓷在制備的時候就要從色料的選擇上考慮到其使用上的要求，不僅要保證陶瓷基板顏色的黑度、機械強度，同時也要保證陶瓷基板的絕緣性、熱學性質以及用作電子器件時應具備的其他性能。
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
兩種制備方法
制備黑色氧化鋁一般采用一次合成法與二次合成法，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揮發性都較強。
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，此法過程比較復雜，能耗高。
如何抑制著色氧化物揮發是關鍵
目前，常用的黑色著色氧化物以Fe2O3、CoO、Cr2O3、MnO最為常用。這些常用的著色氧化物在高溫下的揮發性都較強，并且其揮發速度隨溫度升高而加快。因此，選擇在較低溫度下燒成的原料組成對抑制著色氧化物的揮發有直接效果。
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著色氧化物在形成尖晶石類化合物后，其高溫揮發性會有明顯降低。因而在燒成黑色色料時，宜在低溫下著色氧化物的揮發性還不明顯的溫度保溫一定時間，使游離態著色氧化物在此溫度下盡可能結合成尖晶石類化合物。這樣，就能有效地避免著色氧化物在繼續升溫后的揮發，保證良好的呈色效果。
一些輔料對黑色Al2O3陶瓷性能的影響
1、二氧化鈦
徐利華以超微細α-氧化鋁粉為主要原料，添加適量過渡金屬氧化物以及不同分量的TiO2粉末，采用傳統粉末冶金技術、干壓燒結法制備了黑色Al2O3陶瓷。對制備工藝中的原料準備、壓制成型、燒結過程進行了討論，并對其導電性能進行了測試分析。實驗結果表明：TiO2是一種良好的添加劑，它不僅可以降低燒成溫度，還有利于Al2O3陶瓷黑色的形成，提高黑色氧化鋁陶瓷的體積電阻率，改善其電氣性能。
2、二氧化硅
周東祥等用超微細氧化鋁(Al2O3)，二氧化硅(SiO2)粉體及適量的過渡金屬氧化物，用固相反應法在1350℃空氣中燒結得到了致密的黑色Al2O3陶瓷。研究了SiO2摻雜對陶瓷顯微結構和電性能的影響。實驗表明：在黑色Al2O3陶瓷中，SiO2是一種較好的摻雜劑，它不僅可以降低燒結溫度，使陶瓷晶粒細小均勻，同時還可以改善材料的電氣性能，使之滿足用作晶體振蕩器件、光電器件及集成電路器件等的基板及避光封裝外殼的要求。
參考來源：
[1]徐利華.二氧化鈦對黑色Al2O3陶瓷性能的影響
[2]周東祥等.二氧化硅摻雜對黑色氧化鋁陶瓷的改性
[3]張小鋒等.黑色氧化鋁陶瓷制備與介電性能的研究
[4]田修營等.一次合成法合成Fe-Cr-Mn系黑色氧化鋁陶瓷及其性能研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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