中國粉體網(wǎng)訊 氧化鋁陶瓷具有高絕緣性、高隔熱性、耐腐蝕、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于制造坩堝、發(fā)動機(jī)火花塞、高溫耐火材料、熱電偶套管、絕緣基片、密封環(huán)、刀具模具等。
而且，隨著制作水平提高，近年來氧化鋁陶瓷在光學(xué)領(lǐng)域也受到青睞，當(dāng)氧化鋁陶瓷完全致密化時(shí)，透光率大幅提升呈半透明狀，可用來取代單晶藍(lán)寶石，制作高壓鈉燈電弧管、紅外光學(xué)元件、微波集成電路基片等器件。不僅如此，致密度的提高還能夠提升氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能。
致密化就是一個(gè)排氣的過程
氣孔是陶瓷材料中常見的，陶瓷的致密化過程實(shí)際上也是氣孔不斷減少的過程。根據(jù)不同的燒結(jié)過程，氣孔常常以兩種方式殘留在陶瓷材料的內(nèi)部，一是存在于陶瓷晶粒內(nèi)部，二是存在晶粒晶界處。
所以一般認(rèn)為提高氧化鋁陶瓷致密度的方法主要有兩個(gè)途徑。首先是通過提高燒結(jié)溫度或提供還原氣氛，使陶瓷在高溫條件下，原子易于擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，同時(shí)陶瓷中的氣相容易擴(kuò)散出晶粒而燒結(jié)成致密的陶瓷；其次，便是通過添加劑改善陶瓷致密性。
除此之外，在實(shí)際生產(chǎn)中，原料的選取和生產(chǎn)工藝也是影響氧化鋁陶瓷致密化關(guān)鍵點(diǎn)。
原材料：選取高純、超細(xì)的氧化鋁
1、選取高純氧化鋁粉體
陶瓷粉體在制備的過程中難免要引入雜質(zhì)。其中的有機(jī)雜質(zhì)在燒結(jié)過程中將被燒掉，但在致密化的過程中將形成不規(guī)則的孔洞；而無機(jī)雜質(zhì)則有可能在高溫階段與陶瓷粉體起反應(yīng)或殘留在基體中形成微裂紋。由雜質(zhì)引起的這些微結(jié)構(gòu)上的缺陷勢必對氧化鋁陶瓷的致密化有明顯影響。所以，采用高純度Al2O3粉末是制備性能優(yōu)良的氧化鋁陶瓷的重要前提條件。
例如，日本住友化學(xué)工業(yè)、昭和電工、日本輕金屬、新日本化學(xué)工業(yè)、日立化學(xué)和大明化學(xué)等企業(yè)生產(chǎn)的高純氧化鋁粉體，平均粒徑僅為0.1～0.2μm，在不添加燒結(jié)助劑的情況下，該粉體可以在1300℃以下燒結(jié)致密，再經(jīng)熱等靜壓處理，可以實(shí)現(xiàn)透明化。由于燒結(jié)溫度低，晶粒尺寸小，其陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)700MPa。
2、降低氧化鋁粉體粒度
顆粒越細(xì)，燒結(jié)時(shí)間越短。這是因?yàn)轭w粒越細(xì)，它們之間的接觸越緊密，燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散路徑較短，同時(shí)燒結(jié)驅(qū)動力－表面能也越大。超細(xì)粉體制備技術(shù)的出現(xiàn)為降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，改善制品的微觀結(jié)構(gòu)，提高材料的力學(xué)性能(如：硬度、強(qiáng)度、韌性以及耐磨性等)開辟了一條新的途徑。
然而，由于過細(xì)的粉體顆粒的表面能較大，高溫?zé)Y(jié)的過程中晶粒生長迅速或異常長大，同時(shí)過細(xì)的顆粒表面活性比較高，可能吸附雜質(zhì)，造成粉料的不純凈，成型也會越困難。所以生產(chǎn)高致密陶瓷選取的粉料一般都是0.1μm~1μm粒徑范圍的。
混料的均勻性
為了降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，粉料在燒結(jié)前要添加適當(dāng)?shù)奶砑觿�，于是，混料的水平也是影響陶瓷燒結(jié)體的重要因素�；炝系哪康氖鞘狗垠w成分均勻。如果成分分布不均勻，局部成分就會偏離整體配比，出現(xiàn)局部添加劑較少，氧化鋁在低溫難以燒結(jié)，而添加劑多的地方熔點(diǎn)較低，易出現(xiàn)液相，晶粒急速生長，最終導(dǎo)致制品的顯微結(jié)構(gòu)不均勻，致密度不高。
合理的成型方式
成型是直接影響著燒結(jié)過程及燒結(jié)體的性能重要工藝之一。有關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在相同的燒結(jié)溫度下，素坯相對密度較高則其對應(yīng)的燒結(jié)體相對密度也高。因此，為了保證致密度較高，一般成型壓力較大。目前高性能氧化鋁陶瓷成型方法分為干法和濕法兩種類型。
1、干法成型
在干法成型中，我們會首先想到冷等靜壓成型，等靜壓成型法就是將氧化鋁粉料裝進(jìn)彈性的模具內(nèi)密封，然后將模具放入由高壓氣體或液體的容器內(nèi)。封閉后利用三維受力均等的特點(diǎn)使粉料被壓成具有較高密度的生坯。國內(nèi)生產(chǎn)高壓鈉燈燈管的成型方法主要就是等靜壓成型。
為了進(jìn)一步提高成型體的致密度，人們在普通等靜壓成型的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了高壓成型和超高壓成型，利用這兩種成型方法已制備出了致密性相對較高的陶瓷坯體。
2、濕法成型
對于濕法成型，近些年來因其能夠控制坯體中顆粒的團(tuán)聚及雜質(zhì)含量，減少坯體缺陷并可成型復(fù)雜形狀的陶瓷部件而發(fā)展的很快。如離心注漿成型，是通過調(diào)節(jié)pH值等手段使粉體在液體中均勻分散，而后高速離心使顆粒沉降獲得素坯。還有使粉體制備與成型過程一氣呵成的凝膠直接成型，以及靠有機(jī)單體聚合來完成坯體固化的凝膠澆注成型和靠化學(xué)勢成型的滲透固化法等，這些方法已經(jīng)在某些納米材料的合成中得到了很好的應(yīng)用。
燒結(jié)方式要給力
燒結(jié)質(zhì)量直接影響到陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和一系列的力學(xué)性能。而采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，很難抑制住晶粒的長大，而晶粒尺寸的過分長大有可能對陶瓷的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，必須采用一些特殊的燒結(jié)方式，如無壓燒結(jié)和壓力燒結(jié)。無壓燒結(jié)又分為反應(yīng)燒結(jié)和氣氛燒結(jié)，壓力燒結(jié)又分為熱壓、熱等靜壓燒結(jié)、超高壓燒結(jié)等等。
氧化鋁陶瓷防彈板
1、熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是從燒結(jié)驅(qū)動力方面入手，以外加壓力(10~40MPa)和粉料的表面能聯(lián)合作用促使坯體顆粒塑性流動、重排，使坯體中氣孔減少，坯體收縮，致密度提高，顆粒間結(jié)合強(qiáng)度增加，機(jī)械強(qiáng)度提高的過程。同普通燒結(jié)方法(無壓燒結(jié))相比，這種方法制備的氧化鋁陶瓷致密度較高，晶粒生長較少，可以獲得細(xì)晶粒的氧化鋁陶瓷材料，現(xiàn)在它已成為制備高性能陶瓷的常用燒結(jié)方法。
2、真空燒結(jié)
真空燒結(jié)通過將真空爐內(nèi)抽真空使樣品在低氣壓下進(jìn)行燒結(jié)。相對于普通固相燒結(jié)，真空無壓燒結(jié)在較長的保溫時(shí)間下既可以抑制晶粒尺寸的增長又可以有效地排出坯體內(nèi)的氣體，而且得到的晶粒尺寸更加均勻。
3、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)
熱等靜壓燒結(jié)實(shí)質(zhì)上是一種特殊的熱壓燒結(jié)方法。它是指在高溫條件下，將燒結(jié)坯體置于氣體介質(zhì)中，使其各個(gè)方向受到均衡相等壓力，從而促進(jìn)陶瓷材料致密化進(jìn)程。熱等靜壓是一種先進(jìn)的材料致密化工藝，具有燒結(jié)溫度低，燒成時(shí)間短，坯體收縮均勻的特點(diǎn)�？梢灾苽涑鑫⒂^結(jié)構(gòu)均勻且?guī)缀醪缓瑲饪椎母咝阅�、形狀�?fù)雜陶瓷件。
4、氣氛燒結(jié)法
氣氛燒結(jié)多采用惰性氣體氛圍。在燒結(jié)氧化鋁陶瓷時(shí)，坯體內(nèi)部會形成更高的氧缺陷濃度，從而促進(jìn)原子的擴(kuò)散，提高燒結(jié)體的致密度，并降低燒結(jié)溫度。
5、微波燒結(jié)
微波燒結(jié)興起于20世紀(jì)70年代并在近年來逐步步入產(chǎn)業(yè)化。它具有高能效、無污染、整體快速加熱、燒結(jié)溫度低、材料顯微結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)。微波的整體加熱方式可以使陶瓷坯體很快地達(dá)到燒結(jié)溫度，微波輻射促使晶粒隨電磁波頻率震動，粒子的高速運(yùn)動和在高速運(yùn)動及相互碰撞中產(chǎn)生的熱量共同促進(jìn)了陶瓷材料的燒結(jié)，大幅提高燒結(jié)效率。
6、放電等離子體燒結(jié)
放電等離子體燒結(jié)具有熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)，同時(shí)又引入電場的作用，因此燒結(jié)驅(qū)動力不僅來自于高溫和外加機(jī)械力，還有電場以及晶粒間等離子體的作用，所以可以極大地促進(jìn)燒結(jié)。采用這種方法既能有效降低燒結(jié)溫度、大幅縮短燒結(jié)時(shí)間，又能縮小燒結(jié)體中的晶粒尺寸。
添加燒結(jié)助劑——簡單有效
在原料中有意的引入適量的添加劑，是有效的降低陶瓷的燒結(jié)溫度、改善樣品的顯微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料致密化的重要方式。迄今為止，添加劑法仍然是目前陶瓷領(lǐng)域研究最為活躍，也是降低燒結(jié)溫度、提升致密化最簡潔可行的方法之一。
1、添加劑的種類
一類添加劑可以引入晶格空位，易于擴(kuò)散，降低燒結(jié)活化能，形成固溶體，常用的添加劑主要是CuO、TiO2、MnO2等變價(jià)金屬氧化物；
第二類添加劑是生成液相，使傳質(zhì)機(jī)理由固相擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄶U(kuò)散，通常以SiO2、CaO、MgO等為添加劑可以形成玻璃相降低燒結(jié)溫度。
一般而言，少量添加劑即可對Al2O3陶瓷的致密化及其顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，尤其是以一定比例復(fù)合形式引入時(shí)效果更加明顯。
例如：二元復(fù)合添加劑CuO–TiO2，當(dāng)CuO與TiO2的質(zhì)量比為1:2時(shí)可使Al2O3相對密度達(dá)到99%。
2、添加劑的預(yù)燒結(jié)
張靜等分別以CaO、MgO、SiO2簡單氧化物和它們的預(yù)燒結(jié)體作為添加劑加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%氧化鋁中，并于1600℃燒結(jié)。結(jié)果表明：與加入簡單氧化物助劑的氧化鋁陶瓷相比，加入預(yù)燒結(jié)助劑的氧化鋁陶瓷可以實(shí)現(xiàn)更充分的液相燒結(jié)，燒成時(shí)間明顯縮短，陶瓷相對密度可達(dá)到98%以上，晶粒尺寸為5μm左右，抗彎強(qiáng)度大于300MPa。
參考來源：
[1]張靜等.預(yù)燒結(jié)添加劑對95%氧化鋁瓷致密化的影響
[2]陳昌平等.復(fù)合添加劑對納米氧化鋁陶瓷致密化的影響
[3]劉文燕等.氧化釔對氧化鋁陶瓷致密化的影響
[4]殷劍龍等.燒結(jié)助劑對高純氧化鋁陶瓷致密化過程的作用
[5]周國紅等.高純度氧化鋁粉體顆粒細(xì)化對燒結(jié)致密化及透光性能的影響
[6]鄭黎明.燒結(jié)工藝及燒結(jié)助劑對氧化鋁陶瓷性能的影響
[7]高景霞.制備工藝對納米氧化鋁陶瓷致密化和顯微結(jié)構(gòu)的影響
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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