氧化铝陶瓷生产工艺中的质量控制方法

         氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，通常以配料中氧化铝的含量分为70、75、80、90、95、99瓷等，氧化铝陶瓷具有强度高(机械强度可达150MPa)、硬度高(莫氏硬度达9)、耐磨损、耐腐蚀、耐高温以及导热性好、高绝缘、低介电损耗、电性能稳定等特点，它可以制成集成电路基片、刀具耐酸碱件、人造骨骼研磨材料、高级耐火材料以及荧光粉载体等。广泛应用于电子、机械、化工、医药、光电、航空航天等行业，随着科学技术的发展及制造技术的提高，氧化铝陶瓷新品种不断出现，在现代工业和现代科学领域中将会得到越来越广泛的应用。         一般来说氧化铝陶瓷的制备工艺有以下几个步骤:粉体的制备及处理、成型烧结和最终产品的后加工，每一步工艺的优劣都将影响最终陶瓷制品的性能。

        2.氧化铝陶瓷原料及其加工

        2.1氧化铝陶瓷原料

        氧化铝陶瓷最重要的原料是Al2O3。粉其性能好坏以及含量多少对氧化铝陶瓷有很大影响，目前已知Al2O3有10多种同质多相变体，其中主要是γ-Al2O3、β- Al2O3、α-Al2O3三种，它们的结构不同故其性质也不同，α-Al2O3的晶体结构最紧密其硬度大、耐磨损、高温稳定是三种形态中最稳定的晶态，具有良好的机械和电学性能，故α-Al2O3通常是制造氧化铝陶瓷最主要、最常用的原料，α-Al2O3含量高的陶瓷制品强度高、密度高、耐磨性能好。在生产含量99.9%以上高纯氧化铝陶瓷或透明陶瓷时，要求原料纯度≥99.9%还需超细粉碎且粒径分布均匀。

        2.氧化铝陶瓷2Al2O3的预烧

        预烧是氧化铝陶瓷生产中重要环节之一。由于工业Al2O3中含有γ-Al2O3，它在1200℃以上将不可逆地转变为α-Al2O3，伴有左,14%的体积收缩，为消除这种收缩，在制坯前应对工业Al2O3进行预烧Na2O CaO等会影响α-Al2O3的转化率，使其含量达不到要求，预烧也可以除去Na2O等物质，提高原料的纯度。

        预烧方法不同，添加物不同，气氛不同，预烧质量也不一样，工业中预烧氧化铝时通常要加入适量添加物，如:H3BO4、NH4F、ALF3等，加入量一般为0.3%-3%,添加物可以降低预烧温度、促进晶型转化、排除Na2O等杂质。硼酸盐除碱效果好，氟化物可促进晶型转变且收缩大、活性好、还原气氛也有利于排除Na2O等杂质。

        预烧质量还与预烧温度有关，预烧温度偏低，则不能完全转变成α-Al2O3，且电性能降低，若温度过高，粉料烧结，α-Al2O3晶粒异常长大，硬度高，不易粉碎，且烧结活性低，制品难以烧结，不利于形成均匀的结构。一般情况下，粉体煅烧温度控制在1400-1450℃。2.3 Al2O3粉体的制备

        由于颗粒细度对制品性能影响很大，预烧过的Al2O3需要粉碎、磨细、超细、活性高的Al2O3粉体制备是获得细晶而高强氧化铝陶瓷的首要条件。Al2O3粉体颗粒越细、缺陷越多、活性也越大，可促进烧结制成的陶瓷强度也越高，小颗粒还可以分散由于刚玉和玻璃相线膨胀系数不同在晶界处造成的应力集中，减少开裂的危险性，细的晶粒还能妨碍微裂纹的发展，不易造成穿晶断裂，有利于提高断裂韧性，还可提高耐磨性，所以降低Al2O3粉体粒度有利于制备高性能的制品，制作氧化铝陶瓷的微粉最佳粒度为0.1-1μm,我国目前一般在7μm左右,这是国内氧化铝陶瓷质量不如国外产品质量的主要原因.

        2.氧化铝陶瓷4Al2O3粉体的团聚

        粉磨后Al2O3粉体间由于重力、粘附力和颗粒间作用力的作用,使Al2O3粉体团聚团聚，会影响烧结质量。通常加入适当的分散剂，增加Al2O3粉体均匀性，选择适当Al2O3粉体加工方法，以减弱或消除颗粒间的作用力，从而减弱或消除团聚体。

        2.5氧化铝陶瓷颗粒级配

        细颗粒含量在一定范围内有利于提高氧化铝陶瓷性能，但是当<1μm颗粒含量大于40%时,易造成重结晶,晶体发育过大,气孔易封闭在晶粒内,使性能变坏，而颗粒粗，又易造成难以烧结，当5μm颗粒含量大于10%-15%时，对烧结有明显的妨碍作用，因此大小颗粒应合理级配。

        3氧化铝陶瓷的成型工艺

        3.1氧化铝陶瓷混料及添加剂

        由于氧化铝陶瓷成型料是以瘠性料为主,常需要加入聚乙烯醇石蜡等粘结剂和醋酸乙烯酯羟甲基纤维素等塑化剂,基于亲水疏水两种粘结剂优势互补的原理,使用复合粘结剂使干燥坯体强度大大增加,成型前将其与原料混合均化,以提高粉料的成型性能和坯体强度。

        3.2氧化铝陶瓷成型方法

        3.2.1氧化铝陶瓷模压成型

        模压成型是利用压力将干粉在模型中压成致密坯体的一种成型方法，模压成型过程简单、缺陷少，由于压力作用坯体，晶粒接触面大，有利于晶界移动，故烧结致密度高，但致密度不均匀，模压成型有时会出现Al2O3粉体与模壁粘结的现象，可加入硬脂酸等润滑剂。3.2.2等静压成型

        该成型方法所得坯体干燥时收缩均匀，不易开裂，分层解决了模压成型中的不足，故等静压成型可生产形状复杂，较大的制品。

        3.2.3氧化铝陶瓷注浆成型

        该法的关键是制得性能良好的浆料，为减少坯体收缩，应尽量使用高密度浆料，浆料要有良好的悬浮性、流动性、稳定性，通常要加入适当的添加剂来改善浆料的性能，此法可以用于复杂形状制品的成型，但不适于成型壁厚悬殊、厚大截面制品，且坯体密度不高，石膏模使用时间长，其尺寸精度会下降，同时制品收缩难以控制，

        3.2.4氧化铝陶瓷凝胶注模成

        形凝胶注模成型是将含有有机单体的低粘度高固相含量的陶瓷料浆浇注到不吸水的模型中，然后在引发剂和催化剂的作用下使料浆中的有机单体交链聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化，它可以使固相体积分数达50%-60%，一般情况下为保证凝胶固体的性能，溶液中有机单体总含量不宜过多，应控制在15%-20%范围内，交联单体/凝胶单体比例<1/10为宜。

        凝胶注模成型坯体气孔分布窄、均匀、为单峰分布、可克服烧结时的不均匀收缩，提高氧化铝陶瓷制品的可靠性，制备的陶瓷生坯可以加工，使加工成本降低，工件烧结后就可以使用，且工艺过程短，所用设备低廉，制作成本低，加上模具多次重复使用仍能保持精度，这对要求密度均匀、精度好、形状复杂、尺寸大的陶瓷件的制作尤为有利。

        3.2.5氧化铝陶瓷热压铸成型

        此工艺适合制造形状较复杂、精度要求高的中小型产品，该设备简单，操作方便，生产效率高，模具磨损少，寿命长，但工序复杂，耗能大，工期长，由于不易充满模腔，不宜制备壁薄的大而长的制品。

        4.氧化铝陶瓷生坯的干燥与素烧

        水分及添加剂的排除。易使坯体产生缺陷变形。甚至倒塌。所以在坯体干燥和素烧过程中要严格控制升温速度。否则会因温度不均匀产生热应力。使坯体开裂。如在热压铸成型坯体排蜡升温过程中。要特别注意200-600℃温区，在这个温区，石蜡要从坯体中排除，因此升温要缓慢，否则会造成变形和开裂，素烧的温度太低不能完全排除其中的添加剂和水分，素坯强度低，温度太高，会使坯体烧结难以加工处理。

        5氧化铝陶瓷烧结

        烧结是氧化铝陶瓷生产中很重要的一环，它对氧化铝陶瓷的物理化学性能有很大的影响。

        5.1氧化铝陶瓷烧结方法

        5.1.1氧化铝陶瓷常压烧结法

        即在大气条件下将坯体烧结的过程，此法烧结温度较高，对窑炉要求也较高，能源浪费大。

        5.1.2氧化铝陶瓷热压烧结和热等静压烧结

        热压烧结比常温烧结温度低得多，烧成的制品理论密度可达99%，热压烧结采用预成型或将粉料直接装入模内，工艺简单，但它不宜生产过高、过厚、形状复杂制品，生产规模小，成本高。热等静压可以避免热压烧结压力的不均匀，使制品的结构更加均匀，性能更加稳定，适用于形状复杂制品的生产。

        5.1.3氧化铝陶瓷液相烧结法

        该法用低熔助剂促进材料烧结，助剂的引入一般会产生良好效果，常加入等CaO MgO SiO2 BaO等作为熔剂，液相烧结由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生及颗粒重排和传质，过程降低烧结温度，有效加速烧结，

        5.1.4氧化铝陶瓷其它烧结方法

        氧化铝陶瓷气氛烧结

        即对于空气中很难烧结的制品为了防止其氧化在炉膛内通入一定气体形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧结。

        氧化铝陶瓷电场烧结

        即陶瓷坯体在直流电场作用下的烧结。

        氧化铝陶瓷超高压烧结

        即在几十万个大气压以上的压力下进行烧结，

        5.2影响氧化铝陶瓷烧结的因素

        5.2.1氧化铝陶瓷成型方法的影响

        氧化铝陶瓷根据需要选择合适的成型方法，可获得显微结构均匀，各相分布均匀的坯体，通过控制和消除成型过程中的缺陷，可有效降低烧结温度及坯体收缩率，加快致密化进程，减少烧结制品的机加工量，

        5.2.2氧化铝陶瓷烧结温度的影响

        适当提高烧结温度有利于扩散和烧结的进行，使烧结速度加快，促进致密化，升温速度的控制，对氧化铝陶瓷烧结是很重要的，通常在600℃以下应缓慢，, 1000-1500℃中温阶段要严格控制，并尽量慢一些，在1500℃以上升温速度可以加快，防止粗晶出现压力，也促进粉粒间的间隙，减少扩散距离缩小。

        5.2.3氧化铝陶瓷烧结气氛的影响

         气氛对氧化铝陶瓷烧结影响很大，合适的气氛有助于致密化，一般来说气氛中的氧离子分压越低，越有利于氧化铝的烧结，在氢气气氛下烧结，由于氢原子半径很小，易于扩散而有利于消除闭气孔，可得到近于理论密度的烧结体，气氛可以使氧化铝晶格中的氧离子较易失去，形成空位，加速阳离子扩散，从而有效地促进烧结并获得很好的致密度，比氢气气氛更容易烧结。

        5.2.4氧化铝陶瓷添加剂的影响

        由于氧化铝陶瓷坯料熔点很高，较难烧结，若加入某种添加物则可改善烧结性能，促进烧结。

        5.2.5氧化铝陶瓷烧结方法的影响

        正确选择烧结方法是使氧化铝陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键，合适的烧结方法可有效降低烧结温度，氧化铝陶瓷常压烧结在1800℃以上，热压烧结(20MPa)在1500℃左右就能获得接近于理论密度的制品，而高温等静压烧结(40MPa)在1000℃左右就已达到致密化.。

        6.氧化铝陶瓷的后加工处理

        氧化铝陶瓷在烧结冷却后，有些产品还达不到应用的要求，所以要进行必要的加工处理，如修正尺寸、抛光等，为了增加氧化铝陶瓷产品表面的致密性，一般用比氧化铝还要硬的金刚石等由粗到细逐级进行研磨，最终使氧化铝陶瓷表面抛光，使陶瓷表面更加致密，光滑，可大大提高氧化铝陶瓷使用性能，还常采用微粉或金刚石磨膏进行研磨抛光，此外激光加工以及超声波加工研磨及抛光的方法也有采用，当需要特别光滑的表面时，需要用施釉的方法，还有人用离子注入法对材料表面进行加工，离子注入陶瓷是对现有增韧机理的补充，是对制备好的陶瓷产品的深加工，例如用镍离子对陶瓷产品进行镍粒子注入，处理后机械强度韧性会大大增强，现在陶瓷的金属化也得到了迅速发展，它使陶瓷和金属粘结在一起，便于陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷间的钎焊封接。

        7.氧化铝陶瓷结语

        由于氧化铝陶瓷本身的特性，其生产制备需要经过原材料的优选与加工成型，生坯的干燥与素烧，烧结和后加工处理等冗长的工艺过程，所以必须严格控制原材料，尤其是氧化铝的纯度与稳定性，制备超细度且颗粒级配合理的Al2O3粉体，优选与改进成型方法，选择合适的烧结方法与气氛，制定合理的烧结温度和采取必要的后加工处理等这样才可制备出优异的氧化铝陶瓷制品。
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