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硼硅酸盐微晶玻璃析晶动力学及其应用研究

孙涛  
【摘要】: 硼硅酸盐微晶玻璃具有熔点低,化学稳定性好、热膨胀系数调节范围宽、介电性能优良等特点,在信息产业及能源工业中具有广阔的应用前景。作为半导体硅晶片掺硼的固态扩散源和固体氧化物燃料电池(SOFC)双极板的密封材料是硼硅酸微晶玻璃的两个重要应用,也是当前研究的热点之一。 本文采用熔融法制备了B2O3-Al2O3-SiO2系统和BaO-Al2O3-B2O3-SiO2系统微晶玻璃。根据微晶玻璃的应用背景,结合析晶动力学研究方法,较系统地研究了组成对微晶玻璃的晶化行为、显微结构及相关性能的影响,并对所制得的微晶玻璃进行了在硅晶片上的掺硼扩散试验。 对掺硼扩散源用B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的组成研究表明,随着B2O3/SiO2比值的增大,Si4+在玻璃网络结构的地位被削弱,而B3+在玻璃网络中则逐渐占有绝对优势,[BO4]向[BO3]转变。玻璃析出的主晶相主要有Al4B2O9和Al18B4O33晶体,硼含量的增加不仅提高了玻璃的析晶能力,而且有利于Al4B2O9晶体的析出。单独引入不同的碱土金属氧化物到玻璃中均能形成良好的玻璃,玻璃析晶能力变化趋势是BaOMgOCaO,其中引入MgO的玻璃析出的主晶相是Al4B2O9,而引入BaO和CaO的则是以Al18B4O33晶体为主晶相,玻璃均具有较低的热膨胀系数(5~6 ppmK-1)和较高的软化温度(约为1200℃)。TiO2和ZrO2不是有效的晶核剂,它们的引入使得析出晶体的尺寸极其不均。 采用熔融法制备的硼微晶玻璃扩散源片不容易引入杂质,不含气孔,材料结构致密,晶粒尺寸细小均匀,是制备高纯度长寿命硼微晶玻璃扩散源的有效方法。组成为8.2BaO-1.8MgO-32Al2O3-35B2O3-23SiO2(wt%)玻璃的适合热处理工艺为:从室温以5℃·min-1升至800℃,保温5h;再以1℃·min-1从800℃升温至1050℃,保温1~2h。实验中所制得的硼微晶玻璃扩散源片经硼预扩散和再扩散共300h的试用,各项指标均与进口同类样品相当,且未发现炸裂、变形等现象,进一步通过电参数和可靠性验证后,有望取代进口。 SOFC封接用BaO-Al2O3-B2O3-SiO2系统中,Al2O3含量=5mol%时,Al3+主要以网络中间体形式存在于玻璃网络结构中,玻璃稳定性增加;当Al2O3含量增加到10mol%,Al3+开始作为网络形成体存在,玻璃稳定性降低。Al2O3的引入提高了玻璃的析晶温度,且有利于BaSiO3和BaAl2Si2O8晶体的析出。BaO含量增加,玻璃的热膨胀系数增加,而B2O3/SiO2比增大,玻璃的热膨胀系数会稍有减小,但玻璃转变温度和软化温度都会降低。用RO(R=Mg、Ca、Zn)替代部分BaO后,玻璃的热膨胀系数会降低,其中引入ZnO的玻璃下降最多,为14%,而玻璃转变温度和软化温度则是升高的。 本文研制的SOFC封接用玻璃的热膨胀系数基本都能与电解质材料8YSZ(10.0ppmK-1)匹配,且使用温度满足SOFC的工作温度(600~800℃)要求。过多的Al2O3(=10mol%)会降低玻璃对电解质的润湿性,使封接温度升高。引入MgO和CaO的玻璃能在较低温度对8YSZ表现出良好的润湿性,而引入ZnO的玻璃则润湿温度高出100℃左右。组成为38BaO-5Al2O3-19B2O3-38SiO2(mol%)玻璃在700℃热处理100h后,热膨胀系数增加小于1%,具有较好的长期稳定性。引入RO的玻璃中对热膨胀系数影响最大的是ZnO,达到2%。各玻璃经700℃热处理100h后,界面结合紧密,没有出现明显的反应层,扩散层厚度均小于10μm,与电解质材料具有很好的化学相容性。


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