氧化铝陶瓷的类型及性能

    随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的发展，材料需要在比较苛刻情况下使用。例如磁流体发电的通道材料，既要能耐高温，又要能经受高温高速气流的冲刷和腐蚀。空间技术的发展（如航天器的喷嘴、燃烧室的内衬、喷气发动机的叶片等）对材料提出了愈来愈高的要求。石油化工、能源开发等方面的反应装置、热交换器、核燃料，对材料的耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性也日益要求严格。由此可见，高温结构陶瓷越来越显得特别重要，其品种的需要也与日俱增。因此，近10年来得到迅速发展。总之，高温结构陶瓷材料具有金属等其他材料所不具备的优点，即具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高导热性和质轻等特点。
    高温结构陶瓷材料早先主要是指氧化物系统，现在已发展到非氧化物系统以及氧化物与非金属氧化物的复合系统等。
    当然高温结构陶瓷材料最大的缺点是脆性，因而受到了一定使用限制。科学工作者在解决高温结构陶瓷(high temperature ceramics)材料的脆性方面正不断进行研究和探索。
    氧化物陶瓷(oxide ceramics)是发展比较早的高温结构陶瓷材料，由于它们具有许多优点，故在各个有面得到应用。

    一、氧化铝陶瓷的类型及性能
    1．A12 03陶瓷类型
    氧化铝陶瓷(alumina ceramics)是一种以口-A12 03为主晶的陶瓷材料。其A12 03含量一般在75%—99. 9%之间。通常习惯以配料中A12 03的含量来分类。A120。含量在75%左右为“75瓷”，含量在85%左右的为“85瓷”，含量在95%左右的为“95瓷”，含量在99%左右的为“99瓷”。
    2．A12 03的晶型
    工业A12 03是由铝矾土(A12 03.3Hz O)和硬水铝石制备的，对于纯度要求不高的A12 03，一般是通过化学方法来制备。电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000—2400℃熔融制得，也称人造刚玉。
    A12 03有许多同质异晶体。根据研究报道过的A12 03变体有十多种，但主要有三种，即-y-A12 03、p-A12 03、a-A1203。A12 03的晶型转化关系如图2-1-1所示。其结构不同，因此其性量有关。

    二、A12 03的预烧质也不同，在1300℃以上的高温几乎完全转变为a -A12 03。y-Al2 03属尖晶石型（立方）结构，氧原子呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中。它的密度小，且在高温下不稳定，机电性能差，在自然界中不存在。由于是松散结构，因此可利用它来制造多孔特殊用途的材料。
    3-A12 03是一种A120。含量很高的多铝酸盐矿物。它的化学组成可以近似地用RO．6A12 03和RzO·1IA1203来表示(RO指碱土金属氧化物，RzO指碱金属氧化物)。其结构由碱金属或碱土金属离子如[Na0]-层和LAIii 012]十类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧离子排列成立方密堆积，Na+完全包含在垂直于C轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电。
    a-Al203属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然界只存在a -A12 03，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。口-Al2 03结构最紧密、活性低、高温稳定。它是三种形态中最稳定的晶型，电学性质最好，具有优良的机电性能。
    3．Alz 03陶瓷的性质
    A12 03陶瓷具有许多优良昀性能，因而在世界各国都得到广泛的应用。
    A12 03陶瓷的硬度为9（莫氏），密度为3.9 g/cm3左右，机械强度约150 MPa，膨胀系数与金属差不多。此外具有良好的化学稳定性。A12 03陶瓷的性质与口-A12 03的含
    如前所述，A1zO。的晶型不同，结构也不同，性能各异，而最为稳定的是a-A12 03。因此，利用A12 03制成Al：03陶瓷，必须对A12 03进行预烧(prefiring)，或者叫煅烧。
    1．A12 03预烧
    预烧的目的，是使Y-A120。全部转变为a-AI：O。，减少烧成收缩。此外，预烧还可以排除A12 03原料中的Na20，提高原料的纯度，从而保证产品的性能。表2-1-1    A12 03陶瓷主要性能
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┃    性能      ┃  测试条件  ┃  单位      ┃  75瓷    ┃  90瓷      ┃  95瓷      ┃  99瓷        ┃  99.5瓷      ┃
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┃  体积密度    ┃            ┃   g/cm3    ┃  >3. 20  ┃  >3. 40    ┃  >3. 60    ┃     3. 70    ┃     3. 70    ┃
┃  抗弯强度    ┃            ┃   N/mz     ┃1. 96X108 ┃2. 25 X108  ┃2. 24X108   ┃>2. 24X108    ┃>2. 74 X lOs  ┃
┃  线膨胀系数  ┃ 20～100℃  ┃ X l0-6 /oC ┃      6   ┃            ┃            ┃              ┃              ┃
┃              ┃ 20～500 'C ┃ X 10-6 /oC ┃          ┃6. 3～7. 3  ┃6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃
┃              ┃ 20～800 'C ┃ X 10-6/oC  ┃          ┃ 6. 3～7. 3 ┃6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃
┃  介电常数    ┃    I MHz   ┃            ┃          ┃8. 5～9. 5  ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃   9～10. 5   ┃
┃              ┃    IO GHz  ┃            ┃          ┃            ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃              ┃
┃  介质损耗值  ┃    I MHz   ┃   X 10-6   ┃          ┃    <8      ┃    <4      ┃   <2. 5      ┃  ≤1. 5      ┃
┃    tana      ┃    10 GHz  ┃   x io-6   ┃          ┃            ┃            ┃     <6       ┃              ┃
┃  比体积电阻  ┃     100 0C ┃   fl . cm  ┃   >1012  ┃   >1013    ┃   >1013    ┃    >10'3     ┃    >IO'4     ┃
┃              ┃     300 c  ┃   fl . cm  ┃          ┃   >1015    ┃   >1016    ┃    >1016     ┃    >10'2     ┃
┃              ┃     500 0C ┃  Q . cm    ┃          ┃            ┃   >108     ┃     >log     ┃              ┃
┃  击穿强度    ┃            ┃  kV/mm     ┃     20   ┃     15     ┃     15     ┃       15     ┃              ┃
┃  导热系数    ┃     20 c   ┃W/(m . K)   ┃          ┃    16. 8   ┃    25. 2   ┃     25. 2    ┃     29. 2    ┃
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    从实际来看，预烧的方法不同，添加物不同，气氛不同，效果也不同，预烧质量也不一样。因此，预烧足A12 03陶瓷生产中重要的环节之一。