一种热蒸发镀膜陶瓷靶材及制备方法
1.技术领域
2.本发明属于材料技术领域，具体涉及一种热蒸发镀膜用的陶瓷靶材及制备方法。
背景技术：
3.兼具可见光透明和导电的薄膜材料有超薄金属、氧化物陶瓷、导电高分子，其中氧化物体系的透明导电氧化物(tco)薄膜具有优异的导电、透光性能，广泛应用于各种光电器件，如平板显示器、触摸屏、薄膜太阳能电池。氧化物透明导电薄膜被广泛应用的材料是in2o3和zno，如sn掺杂in2o3(ito)，al、ga、in掺杂zno(azo、gzo、izo)。工业界制备这些薄膜的方法主要有磁控溅射、电子束蒸发，以及由电子束蒸发演变而来的活化等离子体沉积（reactive plasma deposition，rpd）。
4.磁控溅射、电子束蒸发和活化等离子体沉积都需要陶瓷靶材，磁控溅射需要高密度的溅射靶材，电子束蒸发和活化等离子体沉积则需要低密度的多孔陶瓷靶材。对于电子束蒸发，由于存在离解作用，需要在蒸发镀膜时通入适量的氧气，更为重要的是高能电子束加热气化靶材时，靶材表面与接触冷却铜坩埚的靶材底部的温差巨大，靶材非常容易在使用时开裂，靶材开裂后需要停机更换新靶材，降低了生产效率，因此要求靶材具有较好的耐热冲击性能。此前，专利cn102731067b公开了一种高密度ito蒸镀靶材，若将高密度靶材用于热蒸发工艺，靶材容易开裂。专利cn103347836a公开的方案是采用固溶有钨的氧化锌晶相粉体和氧化锌粉体混合烧结得到双相结构来避免开裂问题，但用户反映在使用过程中还是会发生少量粉体掉落的问题，对连续生产会带来隐患。
5.因此，解决电子束蒸发和活化等离子体沉积等高能电子束热蒸发形成的热冲击导致靶材开裂、掉粉等问题，仍然需要不断改进。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供一种解决热蒸发时热冲击应力过大造成陶瓷靶材开裂问题的技术方案。本发明通过在靶材原料中添加同种材质的陶瓷纤维、陶瓷片或者两者组合，使陶瓷靶材坯体在烧结后形成一种异质结构，在不影响镀膜质量的前提下，解决陶瓷靶材热蒸发时热冲击应力过大易造成开裂的问题。
7.本发明提供的陶瓷靶材，在通常的原料粉体中添加了一种结构材料，原料粉体和结构材料在烧结时共同形成一种异质结构，该异质结构减少了陶瓷靶材因热冲击应力造成开裂的现象。所述结构材料为与原料粉体相同化学组份的陶瓷纤维和/或陶瓷片，所述陶瓷纤维的长度为5-100μm，直径为0.2-6μm；所述陶瓷片的厚度为2-10μm、宽度为20-60μm；结构材料在陶瓷靶材中的占比为10-35wt%。
8.所述原料粉体优选采用由60-100nm尺寸的纳米原料粉体和1-5μm尺寸的微米原料
粉体组成的混合粉体，纳米原料粉体占混合粉体的15-30wt%。
9.所述陶瓷纤维可以采用静电纺丝、湿法纺丝、激光纺丝等工艺制备，优选静电纺丝工艺。
10.所述陶瓷片可以采用轧膜、流延、涂覆等工艺制备，优选流延工艺。
11.本发明提供的陶瓷靶材，其制备方法包括以下步骤：（1）按配比称取原料粉体、结构材料和粘接剂，粘接剂优选聚乙烯醇。
12.（2）将原料粉体和粘接剂进行混合；（3）加入结构材料再次进行混合；（4）采用干压成型制备块体素坯，块体素坯的相对密度为40-50%。
13.（5）块体素坯先低温脱脂再高温烧结制得陶瓷靶材；低温脱脂温度为600℃，烧结温度为1000-1500℃，烧结气氛为空气或氧气气氛，高温保温时长为2-8h。
14.本发明的技术特点和有益效果：本发明通过在通常的原料粉体中添加同种材质的陶瓷纤维、陶瓷片中的至少一种，使陶瓷靶材在烧结后形成异质结构，得到相对密度为60%-65%的多孔陶瓷材料，在不影响镀膜质量前提下，解决陶瓷靶材热蒸发时热冲击应力过大易开裂的问题。
具体实施方式
15.通过下面给出的实施例和对比例，可以充分理解本发明的技术方案，以及相对于现有技术展现出的有益效果。
16.实施例1：以粒度为60-100nm和1-5μm的氧化铟锡（ito，in2o3/sno2=90/10）粉体为原料得到混合ito粉体（其中纳米粉体占15wt%）。纳米ito粉体通过静电纺丝制备ito陶瓷纤维，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷纤维，其长度为5-100μm、直径为0.2-2μm。按照10%的添加量称取50g陶瓷纤维和450g混合ito粉体，混合ito粉体中加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，再加入陶瓷纤维继续混合1h。用50g混合料压制成直径为30mm、相对密度为40%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后在1500℃高温烧结2h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为65%的多孔陶瓷靶材。
17.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
18.实施例2：以粒度为60-100nm和1-5μm的氧化铟锡（ito,，in2o3/sno2=90/10）粉体为原料得到混合ito粉体（其中纳米粉体占30wt%）。纳米ito粉体通过湿法纺丝制备ito陶瓷纤维，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷纤维，其长度为5-100μm、直径为0.5-6μm。按照20%的添加量称取50g陶瓷纤维和200g混合ito粉体，混合ito粉体中加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，再加入陶瓷纤维继续混合1h。用50g混合料压制成直径30mm、相对密度为40%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后在1480℃高温烧结3h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为64%的多孔陶瓷靶材。
19.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
20.实施例3：以粒度为60-100nm和1-5μm的氧化铟锡（ito，in2o3/sno2=90/10）粉体为原料得到混合ito粉体（其中纳米粉体占30wt%）。纳米ito粉体通过激光纺丝制备ito陶瓷纤维，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷纤维，其长度为5-100μm、直径为0.5-4μm。按照35%的添加量称取50g陶瓷纤维和142.9g混合ito粉体，混合ito粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，然后加入陶瓷纤维继续混合1h，以50g混合料压制成直径30mm、相对密度为50%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后再在1460℃高温烧结6h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为63%的多孔陶瓷靶材。
21.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
22.实施例4：以粒度为70-90nm和2-5μm的氧化锌铝（azo，zno/al2o3=98/2）粉体为原料得到混合azo粉体（其中纳米粉体占25wt%）。纳米azo粉体通过流延制备azo陶瓷片，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷片，其厚度为6μm、宽度为20-60μm。按照10%的添加量称取50g陶瓷片和450g混合azo粉体，混合azo粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，然后加入陶瓷片继续混合1h，用42g混合料压制成直径30mm、相对密度为40%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后在1400℃高温烧结2h，烧结气氛为空气，获得相对密度为64%的多孔陶瓷靶材。
23.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
24.实施例5：以粒度为70-90nm和2-5μm的氧化锌铝（azo，zno/al2o3=98/2）粉体为原料得到混合azo粉体（其中纳米粉体占26wt%）。纳米azo粉体通过轧膜制备azo陶瓷片，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷片，其厚度为10μm、宽度为20-60μm。按照20%的添加量称取50g陶瓷片和200g混合azo粉体，混合azo粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，然后加入陶瓷片继续混合1h，用42g混合料压制成直径30mm、相对密度为45%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后在1360℃高温烧结4h，烧结气氛为空气，获得相对密度为63%的多孔陶瓷靶材。
25.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
26.实施例6：以粒度为70-90nm和2-5μm的氧化锌铝（azo，zno/al2o3=98/2）粉体为原料得到混合azo粉体（其中纳米粉体占18wt%）。纳米azo粉体通过涂覆制备azo陶瓷片，用液氮冷却后机械振动粉碎，用40目筛网过筛获得陶瓷片，其厚度为2μm、宽度为20-60μm。按照35%的添加量称取50g陶瓷片和142.9g混合azo粉体，azo粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，然后加入陶瓷片继续混合1h，用42g混合粉体压制成直径30mm、相对密度为50%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后在1200℃高温烧结8h，烧结气氛为空气，获得相对密度为60%的多孔陶瓷靶材。
27.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶
材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
28.实施例7：与实施1相同，不同之处在于其材料为azo，以粒度为70-90nm和2-5μm的氧化锌铝（azo，zno/al2o3=98/2）粉体为原料。高温烧结为1380℃保温3h，烧结气氛为空气，获得相对密度为62%的多孔陶瓷靶材。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
29.实施例8：与实施1相同，不同之处在于其材料为azo，以粒度为70-90nm和2-5μm的氧化锌铝（azo，zno/al2o3=98/2）粉体为原料。高温烧结为1380℃保温3h，烧结气氛为空气，获得相对密度为62%的多孔陶瓷靶材。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
30.实施例9：与实施4相同，不同之处在于其材料为ito，以粒度为60-100nm和1-5μm的氧化铟锡（ito，in2o3/sno2=90/10）粉体为原料。高温烧结为1450℃保温4h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为63%的多孔陶瓷靶材。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
31.实施例10：用实施1的ito陶瓷纤维和实施例9的ito陶瓷片，其占比为陶瓷纤维为50%。高温烧结为1450℃保温4h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为62%的多孔陶瓷靶材。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材保持完整、不开裂。
32.对比例1：以粒度为60-100nm的ito（in2o3/sno2=90/10）纳米粉体为原料，500g的ito纳米粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，50g混合粉体压制成直径30mm的素坯、相对密度为46%的素坯。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后再在1500℃高温烧结4h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为64%的多孔陶瓷靶材。
33.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材开裂。
34.对比例2：以粒度为1-5μm的ito（in2o3/sno2=90/10）微米粉体为原料，500g的ito微米粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，50g混合粉体压制成高度20mm、直径30mm的素坯，素坯的相对密度为42%。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后再在1500℃高温烧结2h，烧结气氛为氧气，获得相对密度为63%的多孔陶瓷靶材。
35.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材开裂。
36.对比例3：以粒度为70-90nm的azo（zno/al2o3=98/2）纳米粉体为原料，500g的azo纳米粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，42g混合粉体压制成高度20mm、直径30mm的素坯，素坯的相对密度为43%。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后再在1200℃高温烧结
5h，烧结气氛为空气，获得相对密度为60%的多孔陶瓷靶材。
37.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材开裂。
38.对比例4：以粒度为2-5μm的azo（zno/al2o3=98/2）微米粉体为原料，500g的azo微米粉体加入纯物质为5%的聚乙烯醇水溶液，在v形混料机混合1h，42g混合粉体压制成高度20mm、直径30mm的素坯，素坯的相对密度为44%。素坯先在550℃脱脂排胶5h，然后再在1400℃高温烧结3h，烧结气氛为空气，获得相对密度为64%的多孔陶瓷靶材。
39.用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材开裂。
40.对比例5：与实施例1相同，陶瓷纤维的添加量为8%。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材没有裂开，存在明显裂纹。
41.对比例6：与实施例4相同，陶瓷片的添加量为3%。用电子束热蒸发镀膜机进行靶材评价，蒸发时的高压为8kv、束流为20ma轰击靶材，陶瓷靶材裂开。