氧化鋁陶瓷生產(chǎn)工藝中的質(zhì)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(qiáng)度高(機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)150MPa)、硬度高(莫氏硬度達(dá)9)、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及導(dǎo)熱性好、高絕緣、低介電損耗、電性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(jí)耐火材料以及熒光粉載體等。廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、化工、醫(yī)藥、光電、航空航天等行業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高，氧化鋁陶瓷新品種不斷出現(xiàn)，在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。         一般來說氧化鋁陶瓷的制備工藝有以下幾個(gè)步驟:粉體的制備及處理、成型燒結(jié)和最終產(chǎn)品的后加工，每一步工藝的優(yōu)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(duì)氧化鋁陶瓷有很大影響，目前已知Al2O3有10多種同質(zhì)多相變體，其中主要是γ-Al2O3、β- Al2O3、α-Al2O3三種，它們的結(jié)構(gòu)不同故其性質(zhì)也不同，α-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)最緊密其硬度大、耐磨損、高溫穩(wěn)定是三種形態(tài)中最穩(wěn)定的晶態(tài)，具有良好的機(jī)械和電學(xué)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(qiáng)度高、密度高、耐磨性能好。在生產(chǎn)含量99.9%以上高純氧化鋁陶瓷或透明陶瓷時(shí)，要求原料純度≥99.9%還需超細(xì)粉碎且粒徑分布均勻。

        2.氧化鋁陶瓷2Al2O3的預(yù)燒

        預(yù)燒是氧化鋁陶瓷生產(chǎn)中重要環(huán)節(jié)之一。由于工業(yè)Al2O3中含有γ-Al2O3，它在1200℃以上將不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-Al2O3，伴有左,14%的體積收縮，為消除這種收縮，在制坯前應(yīng)對(duì)工業(yè)Al2O3進(jìn)行預(yù)燒Na2O CaO等會(huì)影響α-Al2O3的轉(zhuǎn)化率，使其含量達(dá)不到要求，預(yù)燒也可以除去Na2O等物質(zhì)，提高原料的純度。

        預(yù)燒方法不同，添加物不同，氣氛不同，預(yù)燒質(zhì)量也不一樣，工業(yè)中預(yù)燒氧化鋁時(shí)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(yù)燒溫度、促進(jìn)晶型轉(zhuǎn)化、排除Na2O等雜質(zhì)。硼酸鹽除堿效果好，氟化物可促進(jìn)晶型轉(zhuǎn)變且收縮大、活性好、還原氣氛也有利于排除Na2O等雜質(zhì)。

        預(yù)燒質(zhì)量還與預(yù)燒溫度有關(guān)，預(yù)燒溫度偏低，則不能完全轉(zhuǎn)變成α-Al2O3，且電性能降低，若溫度過高，粉料燒結(jié)，α-Al2O3晶粒異常長大，硬度高，不易粉碎，且燒結(jié)活性低，制品難以燒結(jié)，不利于形成均勻的結(jié)構(gòu)。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(xì)度對(duì)制品性能影響很大，預(yù)燒過的Al2O3需要粉碎、磨細(xì)、超細(xì)、活性高的Al2O3粉體制備是獲得細(xì)晶而高強(qiáng)氧化鋁陶瓷的首要條件。Al2O3粉體顆粒越細(xì)、缺陷越多、活性也越大，可促進(jìn)燒結(jié)制成的陶瓷強(qiáng)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(shù)不同在晶界處造成的應(yīng)力集中，減少開裂的危險(xiǎn)性，細(xì)的晶粒還能妨礙微裂紋的發(fā)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(nèi)氧化鋁陶瓷質(zhì)量不如國外產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因.

        2.氧化鋁陶瓷4Al2O3粉體的團(tuán)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(tuán)聚團(tuán)聚，會(huì)影響燒結(jié)質(zhì)量。通常加入適當(dāng)?shù)姆稚黾覣l2O3粉體均勻性，選擇適當(dāng)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(tuán)聚體。

        2.5氧化鋁陶瓷顆粒級(jí)配

        細(xì)顆粒含量在一定范圍內(nèi)有利于提高氧化鋁陶瓷性能，但是當(dāng)<1μm顆粒含量大于40%時(shí),易造成重結(jié)晶,晶體發(fā)育過大,氣孔易封閉在晶粒內(nèi),使性能變壞，而顆粒粗，又易造成難以燒結(jié)，當(dāng)5μm顆粒含量大于10%-15%時(shí)，對(duì)燒結(jié)有明顯的妨礙作用，因此大小顆粒應(yīng)合理級(jí)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(jié)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(jié)劑優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原理,使用復(fù)合粘結(jié)劑使干燥坯體強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)，故燒結(jié)致密度高，但致密度不均勻，模壓成型有時(shí)會(huì)出現(xiàn)Al2O3粉體與模壁粘結(jié)的現(xiàn)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(shí)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(chǎn)形狀復(fù)雜，較大的制品。

        3.2.3氧化鋁陶瓷注漿成型

        該法的關(guān)鍵是制得性能良好的漿料，為減少坯體收縮，應(yīng)盡量使用高密度漿料，漿料要有良好的懸浮性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性，通常要加入適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣砀纳茲{料的性能，此法可以用于復(fù)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(shí)間長，其尺寸精度會(huì)下降，同時(shí)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(jī)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(fā)劑和催化劑的作用下使料漿中的有機(jī)單體交鏈聚合成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使?jié)鈶腋◇w原位固化，它可以使固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)50%-60%，一般情況下為保證凝膠固體的性能，溶液中有機(jī)單體總含量不宜過多，應(yīng)控制在15%-20%范圍內(nèi)，交聯(lián)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(jié)時(shí)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(jié)后就可以使用，且工藝過程短，所用設(shè)備低廉，制作成本低，加上模具多次重復(fù)使用仍能保持精度，這對(duì)要求密度均勻、精度好、形狀復(fù)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(fù)雜、精度要求高的中小型產(chǎn)品，該設(shè)備簡單，操作方便，生產(chǎn)效率高，模具磨損少，壽命長，但工序復(fù)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?zé)?br />
        水分及添加劑的排除。易使坯體產(chǎn)生缺陷變形。甚至倒塌。所以在坯體干燥和素?zé)^程中要嚴(yán)格控制升溫速度。否則會(huì)因溫度不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)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(qū)，在這個(gè)溫區(qū)，石蠟要從坯體中排除，因此升溫要緩慢，否則會(huì)造成變形和開裂，素?zé)臏囟忍筒荒芡耆懦渲械奶砑觿┖退郑嘏鲝?qiáng)度低，溫度太高，會(huì)使坯體燒結(jié)難以加工處理。

        5氧化鋁陶瓷燒結(jié)

        燒結(jié)是氧化鋁陶瓷生產(chǎn)中很重要的一環(huán)，它對(duì)氧化鋁陶瓷的物理化學(xué)性能有很大的影響。

        5.1氧化鋁陶瓷燒結(jié)方法

        5.1.1氧化鋁陶瓷常壓燒結(jié)法

        即在大氣條件下將坯體燒結(jié)的過程，此法燒結(jié)溫度較高，對(duì)窯爐要求也較高，能源浪費(fèi)大。

        5.1.2氧化鋁陶瓷熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)

        熱壓燒結(jié)比常溫?zé)Y(jié)溫度低得多，燒成的制品理論密度可達(dá)99%，熱壓燒結(jié)采用預(yù)成型或?qū)⒎哿现苯友b入模內(nèi)，工藝簡單，但它不宜生產(chǎn)過高、過厚、形狀復(fù)雜制品，生產(chǎn)規(guī)模小，成本高。熱等靜壓可以避免熱壓燒結(jié)壓力的不均勻，使制品的結(jié)構(gòu)更加均勻，性能更加穩(wěn)定，適用于形狀復(fù)雜制品的生產(chǎn)。

        5.1.3氧化鋁陶瓷液相燒結(jié)法

        該法用低熔助劑促進(jìn)材料燒結(jié)，助劑的引入一般會(huì)產(chǎn)生良好效果，常加入等CaO MgO SiO2 BaO等作為熔劑，液相燒結(jié)由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生液相促進(jìn)擴(kuò)散和粘滯流動(dòng)的發(fā)生及顆粒重排和傳質(zhì)，過程降低燒結(jié)溫度，有效加速燒結(jié)，

        5.1.4氧化鋁陶瓷其它燒結(jié)方法

        氧化鋁陶瓷氣氛燒結(jié)

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

        氧化鋁陶瓷電場(chǎng)燒結(jié)

        即陶瓷坯體在直流電場(chǎng)作用下的燒結(jié)。

        氧化鋁陶瓷超高壓燒結(jié)

        即在幾十萬個(gè)大氣壓以上的壓力下進(jìn)行燒結(jié)，

        5.2影響氧化鋁陶瓷燒結(jié)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(jù)需要選擇合適的成型方法，可獲得顯微結(jié)構(gòu)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(jié)溫度及坯體收縮率，加快致密化進(jìn)程，減少燒結(jié)制品的機(jī)加工量，

        5.2.2氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的影響

        適當(dāng)提高燒結(jié)溫度有利于擴(kuò)散和燒結(jié)的進(jìn)行，使燒結(jié)速度加快，促進(jìn)致密化，升溫速度的控制，對(duì)氧化鋁陶瓷燒結(jié)是很重要的，通常在600℃以下應(yīng)緩慢，, 1000-1500℃中溫階段要嚴(yán)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(xiàn)壓力，也促進(jìn)粉粒間的間隙，減少擴(kuò)散距離縮小。

        5.2.3氧化鋁陶瓷燒結(jié)氣氛的影響

         氣氛對(duì)氧化鋁陶瓷燒結(jié)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(jié)，在氫氣氣氛下燒結(jié)，由于氫原子半徑很小，易于擴(kuò)散而有利于消除閉氣孔，可得到近于理論密度的燒結(jié)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(kuò)散，從而有效地促進(jìn)燒結(jié)并獲得很好的致密度，比氫氣氣氛更容易燒結(jié)。

        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(diǎn)很高，較難燒結(jié)，若加入某種添加物則可改善燒結(jié)性能，促進(jìn)燒結(jié)。

        5.2.5氧化鋁陶瓷燒結(jié)方法的影響

        正確選擇燒結(jié)方法是使氧化鋁陶瓷具有理想的結(jié)構(gòu)及預(yù)定性能的關(guān)鍵，合適的燒結(jié)方法可有效降低燒結(jié)溫度，氧化鋁陶瓷常壓燒結(jié)在1800℃以上，熱壓燒結(jié)(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(jié)(40MPa)在1000℃左右就已達(dá)到致密化.。

        6.氧化鋁陶瓷的后加工處理

        氧化鋁陶瓷在燒結(jié)冷卻后，有些產(chǎn)品還達(dá)不到應(yīng)用的要求，所以要進(jìn)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(chǎn)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(xì)逐級(jí)進(jìn)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(jìn)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(dāng)需要特別光滑的表面時(shí)，需要用施釉的方法，還有人用離子注入法對(duì)材料表面進(jìn)行加工，離子注入陶瓷是對(duì)現(xiàn)有增韌機(jī)理的補(bǔ)充，是對(duì)制備好的陶瓷產(chǎn)品的深加工，例如用鎳離子對(duì)陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行鎳粒子注入，處理后機(jī)械強(qiáng)度韌性會(huì)大大增強(qiáng)，現(xiàn)在陶瓷的金屬化也得到了迅速發(fā)展，它使陶瓷和金屬粘結(jié)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(jié)語

        由于氧化鋁陶瓷本身的特性，其生產(chǎn)制備需要經(jīng)過原材料的優(yōu)選與加工成型，生坯的干燥與素?zé)瑹Y(jié)和后加工處理等冗長的工藝過程，所以必須嚴(yán)格控制原材料，尤其是氧化鋁的純度與穩(wěn)定性，制備超細(xì)度且顆粒級(jí)配合理的Al2O3粉體，優(yōu)選與改進(jìn)成型方法，選擇合適的燒結(jié)方法與氣氛，制定合理的燒結(jié)溫度和采取必要的后加工處理等這樣才可制備出優(yōu)異的氧化鋁陶瓷制品。
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