氧化鋁陶瓷簡介

     氧化鋁陶瓷具有硬度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、電絕緣性高和介電損耗低等一系列優異特性，成為了當前生產量最大、應用面最廣的先進陶瓷材料，已被廣泛應用于冶金、化工、電子及生物醫學等多個行業。

 

    人們通常以配料中Al2O3的含量對其進行分類，其中：Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”，因燒結溫度較低，所以75瓷的成本較其他氧化鋁陶瓷低，但因其性能一般，現已基本不再采用了。

 

     Al2O3含量在85%左右的為“85瓷”，在制造85瓷的過程中，常在配料中摻入滑石粉等粉料，以提高陶瓷產品的機械強度與電性能。85瓷常用于制作電真空裝置器件。

 

     Al2O3含量在95%左右的為“95瓷”，主要用作耐腐蝕、耐磨部件。

 

    Al2O3含量在99%左右的為“99瓷”，99瓷具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕的優良性能，可用于制作特殊耐火器件、特殊耐磨器件，比如陶瓷軸承、陶瓷爐管、陶瓷坩堝等。

 

    Al2O3含量在99.9％以上的是“高純型氧化鋁陶瓷”，這種陶瓷的燒結溫度高達1650℃以上，并具備透射性，可用于制作鈉燈管等器件；也可用于制作集成電路基板、高頻絕緣材料等電子工業基礎器件[1]。

 

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氧化鋁陶瓷燒結技術

2.1 無壓燒結

      無壓燒結屬于在大氣條件下將坯體燒結的過程。在無外加壓力下材料開始燒結，溫度一般達到材料的熔點0.5-0.8即可，在此溫度下固相燒結能引起足夠的原子擴散[2]。這是最常用、也是最簡單的一種燒結方式，其特點在于設備簡單、成本較低，易于工業化生產，而且可以燒結具有不同形狀、大小的材料，因此納米陶瓷的無壓燒結法一直備受關注，并發展了快速燒結、兩步燒結等燒結方式[3]。

• 2.1.1常規燒結

     常規燒結是以傳統的一步燒結方式升溫到最高燒結溫度保溫一段時間后，再降溫到室溫來燒結陶瓷的方法。一般認為，常規燒結只對易燒結，粉體性能優異，素坯致密度較高且結構均勻性好的材料有效。已有學者對成型壓力及粉體晶粒尺寸對陶瓷燒結的影響進行了研究。Li等人采用傳統無壓燒結法，以10oC/min的速率升溫到1450oС燒結1h得到了晶粒尺寸為90nm、致密度90%左右的Al2O3納米陶瓷，研究發現素坯密度、陶瓷致密度和成型壓力成正的相關關系。因此，獲得結構均勻且密度高的素坯是無壓常規燒結納米陶瓷的重要條件[2，3]。

 

• 2.1.2兩步燒結法

     該方法主要有兩種形式，圖1a和圖1b的燒結方法分別由Chu等和Chen等提出。前者是先低溫燒結，然后升溫到高溫段燒結，最后冷卻獲得陶瓷體的方法，能夠較好的控制陶瓷材料的微觀結構并改善其性能，但該方法制備的陶瓷晶粒尺寸一般較大。后者是先將生坯加熱到一個溫度t1，使其先完成一部分致密化，且相對密度介于75%與90%之間，部分氣孔處于亞穩定的狀態。然后再將溫度降至相對較低的t2溫度長時間保溫，通過低溫下的擴散使燒結體完成最終致密化，同時抑制晶粒長大，以提高燒結陶瓷的力學性能，其本質在于充分利用陶瓷晶界遷移和晶界擴散的動力學差異實現對燒結后期晶界遷移的抑制，相比較快速燒結對燒結前期晶粒粗化的抑制效果更佳，是制備納米陶瓷的一種有效方法[2，3，4]。

 

 

 

圖1兩步法燒結的不同燒結制度[5]

 

2.2 熱壓燒結

 

     熱壓燒結是在高溫下加熱粉體的同時施加單向軸應力，使燒結體的致密化主要依靠外加壓力作用下完成物質的遷移。熱壓燒結可分為真空熱壓燒結、氣氛熱壓燒結和連續熱壓燒結等，熱壓燒結與常壓燒結相比燒結溫度低得多。就氧化鋁而言常壓下的普通燒結必須燒至1800℃而熱壓（20MPa）只需燒至1500℃左右。另外由于在較低的溫度下燒結就抑制了晶粒的生長，所得到的燒結體致密、晶粒較細、氣孔率低、強度較高[6]。Kear等將Al2O3粉在8GPa壓力下于800℃燒結15min制備出晶粒尺寸小于50nm、致密度為98%的納米Al2O3陶瓷。

 

     熱壓燒結采用預成型或將粉料直接裝入模內，工藝簡單。該燒結法燒成的制品密度高，理論密度可達99%，而且此燒結也存在一定缺點，如不易生產形狀復雜制品，生產規模小，成本高等[2]。

 

2.3 熱等靜壓燒結

 

     熱等靜壓燒結實質上就是一種另類的熱壓燒結工藝。它是在高溫的環境下，把所要燒結的坯體放置在氣體介質之中，這樣坯體會受到來自四面八方的壓力的作用，所制作的陶瓷材料在致密度方面可以得到進一步的提高；熱等靜壓在燒結過程消耗的時間較少，而且在燒結時所需要的溫度相對來說也比較低；在微觀結構上表現得十分均勻，性能十分優異[7]。但是熱等靜壓設備昂貴，而且實驗過程中需要消耗大量的氣體，成本較高，這將不利于大規模應用；最后，對于需要包套材料的燒結，包套材料本身的低軟化溫度將限制納米陶瓷燒結溫度[3]。

 

2.4 高真空燒結

    高真空燒結是指在高度真空的狀態下進行燒結的一種燒結技術。王利等人以高純氧化鋁為原材料，所用高純氧化鋁的純度大于99.99%，采用等靜壓成型技術，接著在1500℃的溫度的真空條件下進行燒結，制備的高純氧化鋁陶瓷性能優異，不僅具有很高的抗彎強度，而且晶粒尺寸在2～3μm。Gustavo等人采用了高真空燒結技術制得氧化鋁陶瓷，相對密度大，彎曲強度高。研究得出：運用高真空燒結方法制作高純氧化鋁陶瓷，不僅可以使晶界處雜質減少，而且出現氣孔的概率也會降低[7]。

 

2.5微波燒結

 

      微波燒結是微波電磁場與材料介質相互作用導致介電損耗而使材料表面和內部同時受熱的過程[8]。盧等結果表明：微波燒結高純α-Al2O3全瓷與傳統燒結相比，其燒結溫度降低，燒結時間大幅度縮短，材料晶粒尺寸在燒結前后變化很小，燒結體更加均勻、致密，這為納米牙科陶瓷材料的研制提供了重要工藝手段[3]。

     其優點是：升溫速率快，可實現快速燒結和晶粒細化；陶瓷產品整體均勻加熱，內部溫度場均勻；利用微波對材料的選擇性加熱，可以對材料某些部位進行加熱修復或缺陷愈合；微波加熱高效節能，節能效率可達50%左右；無熱慣性，便于實現燒結的瞬時升、降溫自動。但是，目前仍然需要詳細了解微波腔內電磁場的性質和分布、微波?材料相互作用、材料轉化和傳熱機制，從而優化工藝。由于微波燒結是一項相對較新的技術，陶瓷工業可能需要相當長的時間來實施這項技術，所以未來研究重點主要是微波燒結工業化應用[9]。

 

2.6 放電等離子燒結(SPS)

      放電等離子燒結是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產生的瞬時高溫場使材料加熱至燒結溫度從而實現燒結的過程[10]。與通常的燒結方法相比，放電等離子體能產生高溫，升溫速率可高達1000℃/min。晶粒表面由于受到等離子的作用而激發活化加速燒結致密化，具有很高的燒結效率[11]。工作原理如圖2所示。

 

 

 

圖2放電工作原理示意圖[12]

      SPS技術具有燒結溫度低、保溫時間短、升溫速率快、燒結壓力可調控、可實現多場耦合(電－力－熱)等突出的優點。除Al2O3等常見陶瓷外，SPS技術也可用于許多難燒結材料的制備，如ZrB2、HfB2、ZrC、TiN等[13]。

結束語

      陶瓷具有機械強度高、耐高溫、耐腐蝕、硬度高、絕緣電阻大等一系列優良性能，已被廣泛應用于冶金、化工、電子及生物醫學等多個行業。由于氧化鋁陶瓷需要在較高的溫度下才能燒結，而氧化鋁的晶界能很高，極易導致晶粒的異常長大，因此在燒結過程中如何控制晶粒的生長很關鍵。除了使用性能良好的納米粉和選擇適當的添加劑以外，采用合適的的燒結方法也非常重要。