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低温烧结氧化铝陶瓷技术分析
2017/01/05 点击 3732 次

中国粉体网讯  氧化铝陶瓷具有多种优势,它的机械强度高、硬度大、高频介电损耗小,又因为它的原料来源广、价格相对便宜、加工技术较为成熟,因此,它被广泛地应用于电子、电器、机械、纺织和航空航天等领域。这也奠定了它在陶瓷材料领域的高地位。据悉,氧化铝陶瓷是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Al2O3为主要原料,以刚玉(α—Al2O3)为主晶相的陶瓷材料。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。

 

目前,对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入,从75瓷到99瓷都有系统的研究,也已取得显著成效。

 

纵观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。

 

一、通过提高Al2O3粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度

  

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Al2O3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。

 

二、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Al2O3的含量来决定,Al2O3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。比如,在Al2O3含量相当时,CaO-Al2O3-SiO2系Al2O3瓷料比MgO-Al2O3-SiO2系瓷料的烧结温度低,对于我国目前大量生产CaO-MgO-Al2O3-SiO2系统瓷料而言,为使其具有较低的烧结温度与良好性能,应控制其SiO2/CaO处于1.6~0.6之内,MgO含量不超过熔剂类氧化物总量的1/3,同时,在配方中引入少量的La2O3、Y2O3、Cr2O3、MnO、TiO2、ZrO2、Ta2O3等氧化物能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。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。

 

三、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和高温等静压烧结法(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。

 

在生产实践中,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Al2O3含量低的瓷体代替Al2O3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。比如在材料性能满足产品使用要求下,用85瓷代替90瓷或95瓷,用90瓷、95瓷代替99瓷等都是可行的。

 

虽然目前氧化铝陶瓷低烧技术已经取得了比较好的经济效益,但是,现在有些产品仍然有很大的升值空间可以挖掘。从材料的特殊性能要求上考虑,如果仍然采用高温烧结的技术,那么如何将这类产品的烧结温度降下来将会是今后瓷体掺杂改性等低烧技术的努力方向。

 


(来源:瓷库中国 )


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