氧化鋁應用歷史悠久，是最常見的先進陶瓷材料之一，但即便如此，它的潛能其實還有很多可發掘的空間。最直接的，就是改變陶瓷的成分——以Al₂O₃為基體，添加部分穩定ZrO₂作為增韌相就能得到ZTA陶瓷。

ZTA陶瓷的機械性能介于Al₂O₃陶瓷和ZrO₂陶瓷之間，既保留了Al₂O₃陶瓷高硬度和耐磨的特性，又有ZrO₂陶瓷斷裂韌性好和抗彎強度高的優點。當用于DBC電路板時，由于抗彎強度達750 Mpa以上，比96%氧化鋁陶瓷基板高一倍，銅金屬層厚度在100μm~500μm，因此可承受更高的載流容量。然而，ZrO₂在ZTA陶瓷中作為增韌相的同時，也是導電相。當ZrO₂含量超過一定量時，ZTA陶瓷敷銅電路板會出現漏電流，發熱元件會發生擊穿的現象。因此若想將ZTA投入實際應用，必須要在滿足機械強度的前提下，控制其導電率。

發熱絲之間與亮線對應的地方出現了黑斑，說明發熱片印刷電阻線之間出現了漏電

由于陶瓷材料的宏觀性能是由材料的組成和顯微結構決定的，因此科學家決定對ZTA陶瓷的微觀結構下手，打算通過設計陶瓷的晶粒結構來制造出符合使用要求的陶瓷材料。不過要怎么進行“改造”，雖然并沒有一個固定的思路，但無數實驗結果證明，材料結構的設計往往能從自然界中的內在規律得到啟發。

比如說英國理論物理學家開爾文勛爵（Lord Kelvin）觀察肥皂泡后，提出了著名的“開爾文問題”——如果將三維空間細分為若干個小部分，在相同體積下接觸面積最小，這些細小的部分應該是什么形狀？關于這個問題，目前的最佳答案是1993年由愛爾蘭都柏林大學的兩位物理學教授威爾和弗蘭提出的方案：最小化表面能量的結構應該是由2個十二面體和6個十四面體組成的基本單元組合，具有三種表面形狀，即一種六邊形和兩種五邊形。而根據威爾-弗蘭模型設計出的國家游泳中心“水立方”就被稱為理論物理學的杰作。很湊巧的是，這種結構在ZTA陶瓷上同樣也能覓得蹤跡。

左：水立方  右：開爾文胞體陣列

由于陶瓷粉體具有較高的表面自由能，在高溫的作用下，粉體的過剩表面能成為燒結的動力，使粉體長成表面能趨向最小的多面晶體組合——也就是說在理想狀態下，ZTA陶瓷燒結后其顯微結構應類似于威爾-弗蘭模型。通過實驗，研究人員發現ZTA陶瓷的制備過程中，Al₂O₃晶粒確實會長成多面體并形成類似水立方的結構，而ZrO₂則摻雜于其中（如下圖）。

是不是和水立方很像？

按照威爾-弗蘭模型，就能夠推導出ZTA陶瓷中ZrO₂的臨界體積分數與Al₂O₃/ZrO₂粒徑比的立方成反比的公式，繼而成為兩相陶瓷材料設計的一個依據。但是別忘了前面說過的，ZTA陶瓷作為電路基本應用時，除了機械性能外還需要特別留意其電阻性能，因此還需要結合其他理論依據，確保導電相能夠呈孤立狀分布，材料的電阻率足夠大。

即便知道基本原理，要得到理想的ZTA基板配比依舊不是一件簡單的事情，不僅需要足夠的理論知識打底，更需要嚴謹的實驗驗證。但令人欣喜的是，來自鄭州中瓷科技有限公司的吳崇雋先生所在的課題組已在該議題上取得了一定的成果，而在8月5~6號于廣州舉辦的“2020年全國氧化鋁粉體制備與應用技術交流會”上，他將在題為《水立方與氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷材料的設計》的報告中為我們介紹相關內容。如果感興趣的話，就千萬不要錯過了哦！

關于報告人

吳崇雋，1961年出生，1999年獲得清華大學材料工程碩士學位；曾任珠海粵科京華電子陶瓷有限公司研發工程師、副總經理、總經理等職務，而粵科京華正是由清華大學周和平教授“高效流延法制備陶瓷薄膜”課題組技術轉化的成果之一。吳崇雋全程參與整個項目的運營，對該技術的實踐應用有深刻的理解。后來，吳崇雋又業內同仁合資成立珠海市香之君科技股份有限公司、鄭州中瓷科技有限公司等多家片式陶瓷相關的企業。現任鄭州中瓷科技有限公司總經理，致力于流延法制備氧化鋁陶瓷基板的研發和生產。

粉體圈 小榆