氧化鋁陶瓷生產工藝中的質量控制方法

         氧化鋁陶瓷是一種以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料，通常以配料中氧化鋁的含量分為70、75、80、90、95、99瓷等，氧化鋁陶瓷具有強度高(機械強度可達150MPa)、硬度高(莫氏硬度達9)、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及導熱性好、高絕緣、低介電損耗、電性能穩定等特點，它可以制成集成電路基片、刀具耐酸堿件、人造骨骼研磨材料、高級耐火材料以及熒光粉載體等。廣泛應用于電子、機械、化工、醫藥、光電、航空航天等行業，隨著科學技術的發展及制造技術的提高，氧化鋁陶瓷新品種不斷出現，在現代工業和現代科學領域中將會得到越來越廣泛的應用。         一般來說氧化鋁陶瓷的制備工藝有以下幾個步驟:粉體的制備及處理、成型燒結和最終產品的后加工，每一步工藝的優劣都將影響最終陶瓷制品的性能。

        2.氧化鋁陶瓷原料及其加工

        2.1氧化鋁陶瓷原料

        氧化鋁陶瓷最重要的原料是Al2O3。粉其性能好壞以及含量多少對氧化鋁陶瓷有很大影響，目前已知Al2O3有10多種同質多相變體，其中主要是γ-Al2O3、β- Al2O3、α-Al2O3三種，它們的結構不同故其性質也不同，α-Al2O3的晶體結構最緊密其硬度大、耐磨損、高溫穩定是三種形態中最穩定的晶態，具有良好的機械和電學性能，故α-Al2O3通常是制造氧化鋁陶瓷最主要、最常用的原料，α-Al2O3含量高的陶瓷制品強度高、密度高、耐磨性能好。在生產含量99.9%以上高純氧化鋁陶瓷或透明陶瓷時，要求原料純度≥99.9%還需超細粉碎且粒徑分布均勻。

        2.氧化鋁陶瓷2Al2O3的預燒

        預燒是氧化鋁陶瓷生產中重要環節之一。由于工業Al2O3中含有γ-Al2O3，它在1200℃以上將不可逆地轉變為α-Al2O3，伴有左,14%的體積收縮，為消除這種收縮，在制坯前應對工業Al2O3進行預燒Na2O CaO等會影響α-Al2O3的轉化率，使其含量達不到要求，預燒也可以除去Na2O等物質，提高原料的純度。

        預燒方法不同，添加物不同，氣氛不同，預燒質量也不一樣，工業中預燒氧化鋁時通常要加入適量添加物，如:H3BO4、NH4F、ALF3等，加入量一般為0.3%-3%,添加物可以降低預燒溫度、促進晶型轉化、排除Na2O等雜質。硼酸鹽除堿效果好，氟化物可促進晶型轉變且收縮大、活性好、還原氣氛也有利于排除Na2O等雜質。

        預燒質量還與預燒溫度有關，預燒溫度偏低，則不能完全轉變成α-Al2O3，且電性能降低，若溫度過高，粉料燒結，α-Al2O3晶粒異常長大，硬度高，不易粉碎，且燒結活性低，制品難以燒結，不利于形成均勻的結構。一般情況下，粉體煅燒溫度控制在1400-1450℃。2.3 Al2O3粉體的制備

        由于顆粒細度對制品性能影響很大，預燒過的Al2O3需要粉碎、磨細、超細、活性高的Al2O3粉體制備是獲得細晶而高強氧化鋁陶瓷的首要條件。Al2O3粉體顆粒越細、缺陷越多、活性也越大，可促進燒結制成的陶瓷強度也越高，小顆粒還可以分散由于剛玉和玻璃相線膨脹系數不同在晶界處造成的應力集中，減少開裂的危險性，細的晶粒還能妨礙微裂紋的發展，不易造成穿晶斷裂，有利于提高斷裂韌性，還可提高耐磨性，所以降低Al2O3粉體粒度有利于制備高性能的制品，制作氧化鋁陶瓷的微粉最佳粒度為0.1-1μm,我國目前一般在7μm左右,這是國內氧化鋁陶瓷質量不如國外產品質量的主要原因.

        2.氧化鋁陶瓷4Al2O3粉體的團聚

        粉磨后Al2O3粉體間由于重力、粘附力和顆粒間作用力的作用,使Al2O3粉體團聚團聚，會影響燒結質量。通常加入適當的分散劑，增加Al2O3粉體均勻性，選擇適當Al2O3粉體加工方法，以減弱或消除顆粒間的作用力，從而減弱或消除團聚體。

        2.5氧化鋁陶瓷顆粒級配

        細顆粒含量在一定范圍內有利于提高氧化鋁陶瓷性能，但是當<1μm顆粒含量大于40%時,易造成重結晶,晶體發育過大,氣孔易封閉在晶粒內,使性能變壞，而顆粒粗，又易造成難以燒結，當5μm顆粒含量大于10%-15%時，對燒結有明顯的妨礙作用，因此大小顆粒應合理級配。

        3氧化鋁陶瓷的成型工藝

        3.1氧化鋁陶瓷混料及添加劑

        由于氧化鋁陶瓷成型料是以瘠性料為主,常需要加入聚乙烯醇石蠟等粘結劑和醋酸乙烯酯羥甲基纖維素等塑化劑,基于親水疏水兩種粘結劑優勢互補的原理,使用復合粘結劑使干燥坯體強度大大增加,成型前將其與原料混合均化,以提高粉料的成型性能和坯體強度。

        3.2氧化鋁陶瓷成型方法

        3.2.1氧化鋁陶瓷模壓成型

        模壓成型是利用壓力將干粉在模型中壓成致密坯體的一種成型方法，模壓成型過程簡單、缺陷少，由于壓力作用坯體，晶粒接觸面大，有利于晶界移動，故燒結致密度高，但致密度不均勻，模壓成型有時會出現Al2O3粉體與模壁粘結的現象，可加入硬脂酸等潤滑劑。3.2.2等靜壓成型

        該成型方法所得坯體干燥時收縮均勻，不易開裂，分層解決了模壓成型中的不足，故等靜壓成型可生產形狀復雜，較大的制品。

        3.2.3氧化鋁陶瓷注漿成型

        該法的關鍵是制得性能良好的漿料，為減少坯體收縮，應盡量使用高密度漿料，漿料要有良好的懸浮性、流動性、穩定性，通常要加入適當的添加劑來改善漿料的性能，此法可以用于復雜形狀制品的成型，但不適于成型壁厚懸殊、厚大截面制品，且坯體密度不高，石膏模使用時間長，其尺寸精度會下降，同時制品收縮難以控制，

        3.2.4氧化鋁陶瓷凝膠注模成

        形凝膠注模成型是將含有有機單體的低粘度高固相含量的陶瓷料漿澆注到不吸水的模型中，然后在引發劑和催化劑的作用下使料漿中的有機單體交鏈聚合成三維網狀結構，從而使濃懸浮體原位固化，它可以使固相體積分數達50%-60%，一般情況下為保證凝膠固體的性能，溶液中有機單體總含量不宜過多，應控制在15%-20%范圍內，交聯單體/凝膠單體比例<1/10為宜。

        凝膠注模成型坯體氣孔分布窄、均勻、為單峰分布、可克服燒結時的不均勻收縮，提高氧化鋁陶瓷制品的可靠性，制備的陶瓷生坯可以加工，使加工成本降低，工件燒結后就可以使用，且工藝過程短，所用設備低廉，制作成本低，加上模具多次重復使用仍能保持精度，這對要求密度均勻、精度好、形狀復雜、尺寸大的陶瓷件的制作尤為有利。

        3.2.5氧化鋁陶瓷熱壓鑄成型

        此工藝適合制造形狀較復雜、精度要求高的中小型產品，該設備簡單，操作方便，生產效率高，模具磨損少，壽命長，但工序復雜，耗能大，工期長，由于不易充滿模腔，不宜制備壁薄的大而長的制品。

        4.氧化鋁陶瓷生坯的干燥與素燒

        水分及添加劑的排除。易使坯體產生缺陷變形。甚至倒塌。所以在坯體干燥和素燒過程中要嚴格控制升溫速度。否則會因溫度不均勻產生熱應力。使坯體開裂。如在熱壓鑄成型坯體排蠟升溫過程中。要特別注意200-600℃溫區，在這個溫區，石蠟要從坯體中排除，因此升溫要緩慢，否則會造成變形和開裂，素燒的溫度太低不能完全排除其中的添加劑和水分，素坯強度低，溫度太高，會使坯體燒結難以加工處理。

        5氧化鋁陶瓷燒結

        燒結是氧化鋁陶瓷生產中很重要的一環，它對氧化鋁陶瓷的物理化學性能有很大的影響。

        5.1氧化鋁陶瓷燒結方法

        5.1.1氧化鋁陶瓷常壓燒結法

        即在大氣條件下將坯體燒結的過程，此法燒結溫度較高，對窯爐要求也較高，能源浪費大。

        5.1.2氧化鋁陶瓷熱壓燒結和熱等靜壓燒結

        熱壓燒結比常溫燒結溫度低得多，燒成的制品理論密度可達99%，熱壓燒結采用預成型或將粉料直接裝入模內，工藝簡單，但它不宜生產過高、過厚、形狀復雜制品，生產規模小，成本高。熱等靜壓可以避免熱壓燒結壓力的不均勻，使制品的結構更加均勻，性能更加穩定，適用于形狀復雜制品的生產。

        5.1.3氧化鋁陶瓷液相燒結法

        該法用低熔助劑促進材料燒結，助劑的引入一般會產生良好效果，常加入等CaO MgO SiO2 BaO等作為熔劑，液相燒結由化學反應產生液相促進擴散和粘滯流動的發生及顆粒重排和傳質，過程降低燒結溫度，有效加速燒結，

        5.1.4氧化鋁陶瓷其它燒結方法

        氧化鋁陶瓷氣氛燒結

        即對于空氣中很難燒結的制品為了防止其氧化在爐膛內通入一定氣體形成所要求的氣氛，在此氣氛下進行燒結。

        氧化鋁陶瓷電場燒結

        即陶瓷坯體在直流電場作用下的燒結。

        氧化鋁陶瓷超高壓燒結

        即在幾十萬個大氣壓以上的壓力下進行燒結，

        5.2影響氧化鋁陶瓷燒結的因素

        5.2.1氧化鋁陶瓷成型方法的影響

        氧化鋁陶瓷根據需要選擇合適的成型方法，可獲得顯微結構均勻，各相分布均勻的坯體，通過控制和消除成型過程中的缺陷，可有效降低燒結溫度及坯體收縮率，加快致密化進程，減少燒結制品的機加工量，

        5.2.2氧化鋁陶瓷燒結溫度的影響

        適當提高燒結溫度有利于擴散和燒結的進行，使燒結速度加快，促進致密化，升溫速度的控制，對氧化鋁陶瓷燒結是很重要的，通常在600℃以下應緩慢，, 1000-1500℃中溫階段要嚴格控制，并盡量慢一些，在1500℃以上升溫速度可以加快，防止粗晶出現壓力，也促進粉粒間的間隙，減少擴散距離縮小。

        5.2.3氧化鋁陶瓷燒結氣氛的影響

         氣氛對氧化鋁陶瓷燒結影響很大，合適的氣氛有助于致密化，一般來說氣氛中的氧離子分壓越低，越有利于氧化鋁的燒結，在氫氣氣氛下燒結，由于氫原子半徑很小，易于擴散而有利于消除閉氣孔，可得到近于理論密度的燒結體，氣氛可以使氧化鋁晶格中的氧離子較易失去，形成空位，加速陽離子擴散，從而有效地促進燒結并獲得很好的致密度，比氫氣氣氛更容易燒結。

        5.2.4氧化鋁陶瓷添加劑的影響

        由于氧化鋁陶瓷坯料熔點很高，較難燒結，若加入某種添加物則可改善燒結性能，促進燒結。

        5.2.5氧化鋁陶瓷燒結方法的影響

        正確選擇燒結方法是使氧化鋁陶瓷具有理想的結構及預定性能的關鍵，合適的燒結方法可有效降低燒結溫度，氧化鋁陶瓷常壓燒結在1800℃以上，熱壓燒結(20MPa)在1500℃左右就能獲得接近于理論密度的制品，而高溫等靜壓燒結(40MPa)在1000℃左右就已達到致密化.。

        6.氧化鋁陶瓷的后加工處理

        氧化鋁陶瓷在燒結冷卻后，有些產品還達不到應用的要求，所以要進行必要的加工處理，如修正尺寸、拋光等，為了增加氧化鋁陶瓷產品表面的致密性，一般用比氧化鋁還要硬的金剛石等由粗到細逐級進行研磨，最終使氧化鋁陶瓷表面拋光，使陶瓷表面更加致密，光滑，可大大提高氧化鋁陶瓷使用性能，還常采用微粉或金剛石磨膏進行研磨拋光，此外激光加工以及超聲波加工研磨及拋光的方法也有采用，當需要特別光滑的表面時，需要用施釉的方法，還有人用離子注入法對材料表面進行加工，離子注入陶瓷是對現有增韌機理的補充，是對制備好的陶瓷產品的深加工，例如用鎳離子對陶瓷產品進行鎳粒子注入，處理后機械強度韌性會大大增強，現在陶瓷的金屬化也得到了迅速發展，它使陶瓷和金屬粘結在一起，便于陶瓷與金屬或陶瓷與陶瓷間的釬焊封接。

        7.氧化鋁陶瓷結語

        由于氧化鋁陶瓷本身的特性，其生產制備需要經過原材料的優選與加工成型，生坯的干燥與素燒，燒結和后加工處理等冗長的工藝過程，所以必須嚴格控制原材料，尤其是氧化鋁的純度與穩定性，制備超細度且顆粒級配合理的Al2O3粉體，優選與改進成型方法，選擇合適的燒結方法與氣氛，制定合理的燒結溫度和采取必要的后加工處理等這樣才可制備出優異的氧化鋁陶瓷制品。
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