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氧化铝陶瓷
已阅:1022  2014-12-1
 

一、氧化物陶瓷简介

按照传统的分类方法,陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷(精细陶瓷),这两类陶瓷间没有严格的界限,有的陶瓷品种可以一种多用。 

      工业Al2O3,是由铝矾土(Al2O·3H20)和硬水铝石制备的,对于纯度要求高的Al2O3,一般用化学方法来制备。电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000—2400℃熔融而制得,也称人造刚玉。

    Al2O3有许多同质异晶体,目前已知的有10多种,主要有3种晶型,即Al2O3 、Al2O3 、Al2O3 。其结构不同性质也不同,在1300℃以上的高温时几乎完全转化为Al2O3。

    Al2O3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,在高温下不稳定,力学性能、电学性能差,在自然界中不存在。由于结构疏松,因此,也可用它来制造某些特殊用途的多孔材料。

    Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示(RO指碱上金属氧化物,R2O指碱金属氧化物),其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]-层和[Al11O12]+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,呈现离子型导电现象。

    Al2O3属三方晶系,单位晶胞是一个尖的菱面体,在自然界只存在Al2O3,如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。Al2O3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,电学性能最好,具有良好的机械和电学性能,一般氧化铝陶瓷都由Al2O3来制取。

    二、氧化铝陶瓷的制造工艺

    氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主晶相的陶瓷材料,其氧化铝含量一般在75%~99%之间。习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类,氧化铝含量在75%左右的为"75瓷”,含量在99%的为“99瓷”等。刚玉·莫来石瓷的氧化铝含量在70%以上,刚玉瓷的氧化铝含量在90%以上,一般刚玉瓷和刚玉—莫来石瓷称为氧化铝瓷。

    氧化铝陶瓷根据不同类型、不同性能要求,以及产品的不同形状、大小和厚薄等,制造方法也有所不同,但大体经过下列工艺过程:

1.氧化铝的预烧

    由于工业氧化铝原料通常Al2O3,因此,用氧化铝粉末制成氧化铝陶瓷前,必须对氧化铝粉末进行预烧,或称为煅烧。

    (1)预烧的目的

    预烧可以排除氧化铝原料中的氧化钠,提高原料的纯度及产品质量。

(2)预烧的方法

    从实际情况来说,预烧方法不同,添加物不同,气氛不同,温度不同,预烧质量也不一样。因此,预烧是氧化铝陶瓷生产中一个重要的环节。

    工业Al2O3的预烧通常要加入适量的添加物,如H3BO3、NH4F、A1F3等,加入量一般为o.3%一3%。主要目的是为了除去碱法生产工业氧化铝时含有的杂质Na2O。

    预烧质量与预烧温度有关。预烧温度偏低,就不能完全转变成Al2O3,若预烧温度过高,就发生烧结,不易粉碎,且活性降低。

    气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大。温度在1450℃以下,在不同气氛中预烧Al2O3,其Na2O的含量也不相同。

(3)预烧质量的检验

    ①染色法

    由于Al2O3是多孔的球体结构,吸附染料能力强,所以通过吸附染料的多少可判断Al2O3转化的程度。 

    未转化完全的Al2O3染色深,转化完全的Al2O3染色浅。这种方法使用较简便,但不能作定量测定。

②光学显微镜法

    此法是根据折射率的不同来判断转化的情况。一般采用折射率为1.730的二碘甲烷作测定折射率用油。在偏光显微镜下。如果测得折射率小于1.730的则属于Al2O3。

 ③密度法

    根据Al2O3预烧后的密度来估算Al2O3所占的数量,从而判断预烧Al2O3质量的好坏。

    2.配方

    氧化铝陶瓷根据其应用要求不同,配方组成也不同。通常依照Al2O3含量的不同,分为75瓷、80瓷、 95瓷、99瓷等。表6—2列出了按主晶相矿物名称分类的氧化铝陶瓷及其相组成。

3. 磨细

    预烧过的Al2O3需要进行磨细。Al2O3的颗粒细度对产品性能有很大的影响。根据资料介绍,对刚玉瓷,大于4μm的颗粒应很少,因为当5μm的颗粒含量大于10%~15%时,就会影响到它的烧结性;小于1μm的颗粒应为15%一30%,若大于40%,烧结时会出现二次重结晶,晶粒发育较大。

    球磨工艺,一般有两种方法,即湿磨和干磨。一般来说湿磨效率较高。干磨时需要加入助磨剂,如油酸等,加入量一般为1%~3%,其目的是防止粘结,起表面改性作用,提高球磨效率。

    4.成型

    氧化铝陶瓷的成型方法通常是根据产品的形状、厚薄、大小及性能要求进行选择。成型方法不同,选择的制备原料也不同。

5.烧结

    烧结对氧化铝陶瓷的密度及结构影响很大,并进而影响到产品的性能。一般认为获得微晶结构有利于提高氧化铝陶瓷性能,因此,有人主张采用高温快速烧结。当然还要根据产品的大小和厚薄来确定具体的工艺,一般大型和厚胎制品升温速度要慢,时间要长,否则易产生开裂现象。

      影响氧化铝陶瓷烧结性能的因素有:

   (1)烧成制度的影响

    采用两种烧成制度进行实验,1是表示通常的烧成制度;2是以每分钟10℃速率升温到850℃试样开始产生收缩为止,然后再控制升温速率,使试样以恒定的收缩率进行烧成。

    从实验结果可以看出,通常的烧成制度不够理想,在1530℃时才能得到相对密度为99.o%的坯体,晶粒尺寸为0.2~4μm。控制升温速率的烧成制度较好,在1445℃就可以得到相对密度为99.3%的坯体,晶粒尺寸为1~1.5μm。这是由于实验2按照收缩的情况来控制升温速率,不会使早期致密化的速率过大,也不会过早地封闭气孔,气体不会排不出来。

(2)烧成气氛的影响

    对烧结致密性来说,氧的气压愈低愈有利于烧结。以在氩气中烧结最好,其次是在氢气、氨气、氧气、氮气和空气中。对其晶粒长大的作用来说,以在氨气中最显著,其次是在氢气、氧气、氮气、空气和氩气中。从坯体的致密性和晶粒长大的情况进行综合分析,显然,应以在氩气中烧结为最佳,其次是在空气中烧结。

(3)成型方法的影响

    不同的成型方法对氧化铝陶瓷的烧结性能影响也不同。一般来说,注浆成型的坯子难以烧结。等静压成型的坯子容易烧结,致密性好,性能也好,而且能降低50~100℃的烧结温度。热压法更能在较低的温度下烧结,而且能获得接近于理论密度的制品。

      (4)添加剂对烧结性能的影响

    纯氧化铝陶瓷实际上是很难烧结的,而且温度高,达到1800℃。但是根据产品的不同性能,加入不同类型和不同量的添加剂,可以降低烧成温度,促进烧结。

   添加剂可以分为两类:一类能与Al2O3生成固溶体,一类能形成液相。

第一类添加剂如:TiO2、Cr2O3、Fe2O3和MnO2等,这类氧化物的晶格常数与Al2O3相接近,能与之生成固溶体,由于变价作用产生缺陷,活化晶格,促进烧结。加入量0.5%~1.0%,可降低烧结温度150~200℃。

    第二类添加剂如高岭土、石英、氧化钙、氧化镁等。你与其他添加剂生成二元、三元或更复杂的低共融物(液相),因液相对固相表面湿润能力与表面张力作用,使固相粒子靠近并填充气孔。在烧结过程中,有缺陷的细小晶体表面活性大,溶解度也大,小晶体不断长大,气孔减少,出现重结晶,一般不超过100微米,对材料的强度和性能有利。加入量视氧化铝的不同种类而异。

三、氧化铝陶瓷的性能与用途

    1.氧化铝陶瓷的性能

    氧化铝陶瓷的主晶相是刚玉(Al2O3)晶相,它在配方中的含量高低对氧化铝陶瓷的性能产生很大的影响。

    Al2O3含量高,陶瓷的烧成温度也高。随着Al2O3含量的增加,陶瓷的机械强度也提高。Al2O3含量对其电性能有显著的影响,其规律为:随着Al2O3含量的增加,电容率和比体积电阻提高,介电损耗(tgδ)降低,而且介电常数(ε)和介电损耗(tgδ)随频率的增加而减少。导热系数则随Al2O3含量的增加而提高。

 

      2.氧化铝陶瓷的用途

    由于氧化铝陶瓷的机械强度较高,绝缘电阻大,硬度大,耐磨、耐腐蚀及耐高温等的性能,因此,它可以用作电子陶瓷,如真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘瓷等。利用其强度高和硬度大等性能作为结构陶瓷有其广阔的应用前景,如用作磨料、磨具、刀具和造纸工业用刮刀;纺织瓷件(导丝轮、假捻器);耐磨的球阀、轴承、喷嘴、柱塞、缸套、抽油阀门及各种内衬等。

   利用其化学稳定性良好的性能,可以用作化工和生物陶瓷,如人工关节、铂金坩埚代用品、催化载体及航空、磁流体发电材料等。它广泛应用于纺织、煤矿、石油、化工、电力及建筑等各个行业。

随着科学技术的发展及制造技术的提高,氧化铝陶瓷新品种将不断涌现,在现代工业和现代科学技术领域中将会获得越来越广泛的应用。它是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。


 

 
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