Легкоплавке скло для нанокомпозитів

Реферат: Винахід належить до галузі електронного матеріалознавства, зокрема, до складу стекол, які застосовують в електронній, радіоелектронній, приладобудівній галузях промисловості. Легкоплавке скло для нанокомпозитів містить, мас. %: SiO2 – 8,0-10,5, Ві2О3 – 55,0-68,5, CdO 3,0-8,5, BaO – 2,0-15,0, ZnO – 5,0-8,0, MgO -0,5-2,0, В2О3 – 9,0-10,0. Застосування винаходу забезпечує зменшення температури початку розм'якшення - 400-450 °C, зменшення КЛТР -7 -7 14 14 60·10 - 80·10 ; збільшення питомого поверхневого опору - 10 - 5·10 Ом·см. Скло не кристалізується при термообробці в інтервалі температур 300-1000 °C. Отримані стекла мають високу водостійкість - II гідролітичний клас. UA 113565 C2 (12) UA 113565 C2 UA 113565 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі електронного матеріалознавства, зокрема, до складу стекол, що використовуються у якості скляного зв'язуючого при виготовленні нанокомпозитів на базі систем скло - "сполуки металів", які можуть бути використані при виготовленні товсто плівкових елементів багаторівневих гібридних інтегральних схем і сонячних батарей, мікроелектронних сенсорів, люмінесцентних панелей, нагрівачів різного типу копіювальної техніки та лазерних принтерів. Скло, що пропонується, може застосовуватись в електронній, радіоелектронній, приладобудівній і інших галузях промисловості. Досягнутий рівень техніки в області, що розглядається характеризується наступними прикладами. Відоме скло [Патент США № 3858334, кл. 252-520, опубл. 1975 p.], яке містить інгредієнти в наступних кількостях (%, мас): РbО 55-75 SiO2 5-20 В2О3 5-20 МnО 2-10 ZnO 2-10 ZrO2 0-5. Недоліком відомого скла є висока температура початку розм'якшення > 700 °C. Відомі нанокомпозиційні матеріали, які у якості скляного зв'язуючого містять спеціальні стекла з групи (свинцево-боро-алюмо)-силікатних. Функціональну основу нанокомпозитів складають, як правило, оксидні з'єднання рутенію, срібла і паладію та ін. [Гребенкина В.Г., Доброер B.C., Панов Л.И., Тризна Ю.П. Толстопленочная микроэлектроника. - Киев: Наукова думка, 1983. - 248 с.]. Основні недоліки відомих скляних зв'язуючих: 1. Висока температура початку розм'якшення скла - 580-700 °C. 2. Наявність у складі скляного зв'язуючого токсичних сполук свинцю. 3. Низька відтворюваність електрофізичних параметрів (ЕФП) нанокомпозитів на основі "скло - сполуки металів". Відоме "Скло для товстоплівкових резисторів" (прототип) [Патент України № UA 12849, МПК С03С 14/00, МПК Н01С 17/06, 2006 р., Бюл. № 3], яке містить інгредієнти в наступних кількостях (%, мас): РbО 55-65 SiO2 20-30 Ві2О3 1-3 CdO 4-7 Аl2О3 5-10. Недоліки відомого скла. 1. Висока температура початку розм'якшення скляного зв'язуючого 580-600 °C, що підвищує витрати енергії на виготовлення нанокомпозитів в процесі їх відпалювання (температура відпалу 800-900 °C). 2. Наявність у складі скляного зв'язуючого для нанокомпозитів токсичних сполук свинцю. 3. Високий коефіцієнт лінійного термічного розширення (КЛТР). 4. Не призначено для роботи у високовольтній апаратурі з напругою 10-25 кВ. В основу винаходу поставлена задача створення складу легкоплавкого скла для нанокомпозитів з новим технічним ефектом, який полягає в: - зниженні температури початку розм'якшення; - зниженні температури відпалювання композиційних матеріалів на 100-200 °C за рахунок зменшення температури початку розм'якшення скляного зв'язуючого, що значно скорочує витрати енергії на їх виготовлення; - вилученні із складу скла токсичного матеріалу - свинцю; - зменшенні КЛТР; - підвищенні високовольтної стійкості композитів за рахунок збільшення питомого поверхневого опору скла; - підвищенні відтворюваності питомого поверхневого опору; Поставлена задача вирішується тим, що легкоплавким склом для нанокомпозитів, складовими компонентами якого є SiO2, Ві2О3, CdO, яке відрізняється тим, що додатково містить BaO, ZnO, MgO, B2О3, а інгредієнти узяті в наступному співвідношенні (%, мас): Bi2О3 55,0-68,5 ВаО 2,0-15,0 1 UA 113565 C2 5 10 15 20 25 30 ZnO 5,0-8,0 SiO2 8,0-10,5 B2O3 9,0-10,0 CdO 3,0-8,5 MgO 0,5-2,0. Нанокомпозиційні елементи на базі "скло - сполуки металів" формуються шляхом відпалу паст, які є композиційною сумішшю високодисперсних порошків стекло зв'язки і функціонального матеріалу, що диспергують в спеціальних органічних зв'язках. Функціональну основу паст складають, як правило, оксидні з'єднання рутенію (RuO 2, Bi2Ru2О7, Pb2Ru2О7-x), срібла і паладію, а також оксиди, карбіди, бориди, нітриди, силіциди інших металів. В процесі відпалювання паст порошки скла оплавляються і спікаються в скляну матрицю, в якій фіксуються частки функціональної фази, утворюючи струмопровідні ланцюги. Тому комплекс електрофізичних властивостей композиційних елементів значною мірою обумовлений властивостями і складом скляного зв'язуючого (температура початку розм'якшення, КЛТР, питомий поверхневий опір, хімічна стійкість та ін.). Як основну для скло утворюючого компоненту скляного зв'язуючого замість оксиду свинцю обрано оксид вісмуту, який надає можливість отримувати більш легкоплавкі стекла. Оптимальні склади стекол для нанокомпозитів було обрано на підставі численних досліджень процесів скло утворення в системі SiO2-B2O3-Bi2O3-BaO-ZnO-CdO-MgO, кристалізаційних і фізико-хімічних властивостей стекол (КЛТР, температура початку розм'якшення, питомий поверхневий опір ρ, хімічна стійкість). Граничні значення концентрацій вихідних компонентів визначають область скло утворення в даній системі. Стекла володіють низькою температурою розм'якшення порядку (400-450)°С, не схильні до кристалізації, технологічні у виготовленні. Виготовляється скло наступним чином. Зважені вихідні компоненти скла завантажують у фарфоровий тигель. Скло одержують шляхом плавлення шихти в полум'яній газовій печі. Поступово піднімають температуру до 900 °C і варять протягом години. Після варіння тигель виймають з течі і виливають скло у ємність з водою для одержання гранулята скла, який після просушування і попереднього подрібнення завантажується у планетарний млин і подрібнюється протягом 3-6 годин. Гранулометричний склад скла після помелу складає від 1 до 5 мкм. Для поліпшення відтворення електрофізичних параметрів нанокомпозитів скло методом центрифугування розділяється на фракції за однаковими розмірами частинок. Порівняння фізико-хімічних властивостей скла, що пропонується, і скла - прототипу наведено в таблиці. Таблиця Технічні характеристики скла Температура варки, °C Температура початку розм'якшення, °C -1 КЛТР (L20-300 град ) ρ, при 20 °C, Ом·см Гідролітичний клас 35 40 45 Скло, що пропонується 900 400-450 -7 -7 60·10 -80·10 14 14 10 -5·10 II Скло - найближчий аналог 1200-1300 580-600 -6 -6 66·10 -70·10 13 10 II Дослідження, що проведені в Міжвідомчому науково-навчальному фізико-технічному центрі Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова, підтвердили досягнення поставленої задачі. Перевагами легкоплавкого скла для нанокомпозитів є: - зниження температури відпалювання нанокомпозитів на 100-200 °C за рахунок зменшення температури початку розм'якшення скляного зв'язуючого, що значно скорочує енергетичні витрат і на їх виготовлення; - вилучення із складу скла токсичного матеріалу - свинцю; - зменшення КЛТР; - підвищення відтворюваності ЕФП; - значне збільшення питомого поверхневого опору, що надає можливість його використання при виготовленні нанокомпозиційних елементів для роботи в високовольтній апаратурі. Скло не кристалізується при термообробці в інтервалі температур 300-1000 °C. Отримані стекла володіють високою водостійкістю (II гідролітичний клас). 2 UA 113565 C2 5 10 Технологія виготовлення скла по відношенню до відомих складів характеризується зменшенням температури варки до 900 °C. Винахід вирішує проблему створення високоточних і високотехнологічних нанокомпозиційних елементів мікроелектроніки і комутаційних схем сонячної енергетики з одночасним зменшенням енергозатрат на виготовлення і підвищення екологічності виробництва та зменшення ціни продукції. Економічний і соціальний ефект при впровадженні винаходу полягає в поліпшенні електрофізичних пар метрів нанокомпозитів, зниженні енергетичних витрат на операцію відпалювання, відсутності токсичних сполук свинцю при практично тій же вартості хімічних інгредієнтів, що й у складі - прототипу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Легкоплавке скло для нанокомпозитів, що містить складові компоненти SiO2, Ві2О3, CdO, яке відрізняється тим, що додатково містить BaO, ZnO, MgO, В2О3, а інгредієнти взяті, при наступному співвідношенні, мас. %: Ві2О3 55,0-68,5 ВаО 2,0-15,0 ZnO 5,0-8,0 SiO2 8,0-10,5 В2О3 9,0-10,0 CdO 3,0-8,5 MgO 0,5-2,0. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3