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氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介

文章出处:wzfb1234 人气:发表时间:2017-08-01 17:22

 氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
一、氧化铝陶瓷简介
    氧化铝陶瓷材料,具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能。同时其生产原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势,故已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业,成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
    氧化铝陶瓷是一种以α氧化铝为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在75~99.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。
    氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,
    含量在85%左右称作“85瓷”,
    含量在99%左右称作“99瓷”。
    含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
    99瓷氧化铝瓷材料主要用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等;95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件;85瓷中由于常掺入部分滑石,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件。
    氧化铝有α(刚玉型)、β、γ、δ等11种变体,其中主要是α、γ两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即α氧化铝。而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。它们的结构各不相同。
  氧化铝陶瓷
                                             氧化铝陶瓷
 
二、氧化铝陶瓷低温烧结技术
 
    由于氧化铝熔点高达2050℃,导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高(参见表一中标准烧结温度),从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具,这在一定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度,降低能耗,缩短烧成周期,减少窑炉和窑具损耗,从而降低生产成本,一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
     当前各种氧化铝瓷的低温烧结技术,归纳起来,主要是从原料加工、配方设计和烧成工艺等三方面来采取措施,下面分别加以概述。
 
1、通过降低氧化铝粉体的粒径,提高粉体活性来降低瓷体烧结温度。
     粉体具有较高的表面自由能。粉体的这种表面能是其烧结的内在动力。因此,Al2O3粉体的颗粒越细,活化程度越高,粉体就越容易烧结,烧结温度越低。在氧化铝瓷低温烧结技术中,使用高活性易烧结氧化铝粉体作原料是重要的手段之一,因而粉体制备技术成为陶瓷低温烧结技术中一个基础环节。
     目前,制备超细活化易烧结氧化铝粉体的方法分为二大类,一类是机械法,另一类是化学法。
 机械法
     是用机械外力作用使Al2O3粉体颗粒细化,常用的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积,尽管是有效的,但有一定限度,通常只能使粉料的平均粒径小至1μm左右或更细一点,而且有粒径分布范围较宽,容易带入杂质的缺点。

 化学法
     近年来,采用湿化学法制造超细高纯Al2O3粉体发展较快,其中较为成熟的是溶胶—凝胶法。由于溶胶高度稳定,因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中,通过进一步脱水形成均匀的凝胶(无定形体),再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。
  2、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度
     氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中氧化铝的含量来决定,氧化铝含量越高,瓷料的烧结温度越高,除此之外,还与瓷料组成系统、各组成配比以及添加物种类有关。因此,在保证瓷体满足产品使用目的和技术要求的前提下,我们可以通过配方设计,选择合理的瓷料系统,加入适当的助烧添加剂,使氧化铝陶瓷的烧结温度尽可能降低。
     目前配方设计中所加入的各种添加剂,根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同,可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。
 第一类:与氧化铝形成新相或固溶体的添加剂
     这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物,如TiO2、Cr2O3、fe2O3、MnO2等。这类添加剂促进氧化铝瓷烧结的作用具有一定的规律性:
A、能与氧化铝形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温作用更大;
B、可变价离子一类添加剂比不变价的添加剂的作用大;
C、阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。
     需要注意的是,由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的(重结晶烧结),故晶体内的气孔较难填充,气密性较差,因而电气性能下降较多,在配方设计时要加以考虑。 
 第二类:烧成中形成液相的添加剂
     这类添加剂的化学成分主要有SiO2、CaO、MgO、SrO、BaO等,它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成温度低,因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。当有相当量(约12%)的液相出现,固体颗粒在液相中有一定的溶解度及固相颗粒能被液相润湿时,其促进烧结作用也更显著。其作用机理在于液相对固相表面的润湿力及表面张力,两者使得固相颗粒靠近并填充气孔。
     此外,烧结过程中因细小有缺陷的晶体表面活性大,故在液相中的溶解度要比大晶体的大得多。这样,烧结过程中小晶体不断长大,气孔减小,出现重结晶。为了防止因重结晶使晶粒过分长大,影响陶瓷的机械性能,在配方设计中需考虑选用一些对晶粒增大无影响甚至能抑制晶粒增大的添加物,如MgO、CuO和NiO等。 
 
3、采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度
     采用热压烧结工艺,在对坯体加热的同时进行加压,那么烧结不仅是通过扩散传质来完成,此时塑性流动起了重要作用,坯体的烧结温度将比常压烧结低很多,因此热压烧结是降低Al2O3陶瓷烧结温度的重要技术之一。
     目前热压烧结法中有压力烧结法高温等静压烧结法(HIP)二种。HIP法可使坯体受到各向同性的压力,陶瓷的显微结构比压力烧结法更加均匀。
     就氧化铝瓷而言,如果常压下普通烧结必须烧至1800℃以上的高温,热压20MPa烧结,在1000℃左右的较低温度下就已致密化了。热压烧结技术不仅显著降低氧化铝瓷的烧结温度,而且能较好地抑制晶粒长大,能够获得致密的微晶高强的氧化铝陶瓷,特别适合透明氧化铝陶瓷和微晶刚玉瓷的烧结。此外,由于氧化铝的烧结过程与阴离子的扩散速率有关,而还原气氛有利于阴离子空位的增加,可促进烧结的进行。因此,真空烧结、氢气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。
     在实际的生产工艺中,为获得最佳综合经济效益,上述低烧技术往往相互配合使用,其中加入助烧添加剂的方法相对其它方法而言,具有成本低、效果好、工艺简便实用的特点。在中铝瓷、高铝瓷和刚玉瓷的生产中被广泛使用。
     另外,从材料角度来看,通过掺杂改性技术,大幅度提高氧化铝陶瓷的各项机电性能,用氧化铝含量低的瓷体代替氧化铝含量高的瓷体,也是企业常用的降低氧化铝陶瓷产品烧结温度的有效技术手段。
    
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