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氧化铝陶瓷的制备与应用

日期: 2018-12-29
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氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷,因为其优越的性能,在现代社会的应用已经越来越广泛,满足于日用和特殊性能的需要。

 

1、氧化铝陶瓷的概述

 

1.1氧化铝陶瓷的性质及分类

 

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al2O3)为主体的陶瓷材料,用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。 

 

氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料,由于其烧结温度高达1650-1990℃,透射波长为1~6μm,一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚:利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管;在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。

 

氧化铝陶瓷的制备与应用

普通型氧化铝陶瓷系按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种,有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等;95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件;85瓷中由于常掺入部分滑石,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件。

 

2、氧化铝陶瓷的制备

 

2.1粉体的制备

 

将氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在1μm以下,若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99.99%外,还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时,粉料中需引入粘结剂与可塑剂,一般为重量比在10-30%的热塑性塑胶或树脂,有机粘结剂应与氧化铝粉体在150-200℃温度下均匀混合,以利于成型操作。

 

采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型,对粉体有特别的工艺要求,需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状,以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。[1]

 

欲干压成型时需对粉体喷雾造粒,其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Al2O3喷雾造粒的粘结剂,在加热情况下有很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散,流动角摩擦温度小于30℃。颗粒级配比理想等条件,以获得较大素坯密度。

 

2.2成型方法

 

氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。近几年来国内外又开发出压滤成型、直接凝固注模成型、凝胶注成型、离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。不同的产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。

 

2.2.1干压成型

 

氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1mm,长度与直径之比不大于4∶1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种,可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa,产量每分钟可达15~50件。[1]

 

由于液压式压机冲程压力均匀,故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化,易导致烧结后尺寸收缩产生差异,影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大。粉体颗粒以大于60μm、介于60~200目之间可获最大自由流动效果,取得最好压力成型效果。

 

2.2.2注浆成型法

 

注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形复杂的部件,注浆成型的关键是氧化铝浆料的制备。通常以水为熔剂介质,再加入解胶剂与粘结剂,充分研磨之后排气,然后倒注入石膏模内。由于石膏模毛细管对水分的吸附,浆料遂固化在模内。空心注浆时,在模壁吸附浆料达要求厚度时,还需将多余浆料倒出。为减少坯体收缩量、应尽量使用高浓度浆料。

 

氧化铝陶瓷浆料中还需加入有机添加剂以使料浆颗粒表面形成双电层使料浆稳定悬浮不沉淀。此外还需加入乙烯醇、甲基纤维素、海藻酸胺等粘结剂及聚丙烯胺、阿拉伯树胶等分散剂,目的均在于使浆料适宜注浆成型操作。

 

2.3烧成技术

 

将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结。烧结即将坯体内颗粒间空洞排除,将少量气体及杂质有机物排除,使颗粒之间相互生长结合,形成新的物质的方法。

 

烧成使用的加热装置最广泛使用电炉。除了常压烧结,即无压烧结外,还有热压烧结及热等静压烧结等。连续热压烧结虽然提高产量,但设备和模具费用太高,此外由于属轴向受热,制品长度受到限制。热等静压烧成采用高温高压气体作压力传递介质,具有各向均匀受热的优点,很适合形状复杂制品的烧结。由于结构均匀,材料性能比冷压烧结提高30~50%。比一般热压烧结提高10~15%。此外,微波烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结技术亦正在开发研究中。[2]

 

2.4 精加工与封装工序

 

有些氧化铝陶瓷材料在完成烧结后,尚需进行精加工。如用作人工骨,要求表面有很高的光洁度、如镜面一样,以增加润滑性。由于氧化铝陶瓷材料硬度较高,需用更硬的研磨抛光砖材料对其作精加工。如SiC、B4C或金刚钻等。通常采用由粗到细磨料逐级磨削,最终表面抛光。一般可采用<1μm的Al2O3微粉或金刚钻膏进行研磨抛光。此外激光加工及超声波加工研磨及抛光的方法亦可采用。有些氧化铝陶瓷零件需与其它材料作封装处理。

 

2.5 氧化铝陶瓷强化工艺

 

为了增强氧化铝陶瓷,显著提高其力学强度,国外新推一种氧化铝陶瓷强化工艺。该工艺新颖简单,所采取的技术手段是在氧化铝陶瓷表面,采用电子射线真空镀膜、溅射真空镀膜或化学气相蒸镀方法,镀上一层硅化合物薄膜,在1200℃~1580℃的加热处理,使氧化铝陶瓷钢化。[3]

 

3、氧化铝陶瓷的应用

 

3.1机械方面

 

Al2O3陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。Al2O3陶瓷的莫氏硬度可达到9,加上具有优良的抗磨损性能等,所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等,其中以Al2O3陶瓷刀具和工业用阀应用最广。

 

3.1.1纯Al2O3陶瓷刀具

 

Al2O3陶瓷刀具是指仅含有少量氧化物的高纯Al2O3陶瓷,其中Al2O3的纯度大于99%。在纯Al2O3陶瓷中,可以添加ZrO2作为烧结助剂来提高它的断裂韧性。目前普通烧结所制备的Al2O3陶瓷晶粒尺寸都在微米级,而细晶Al2O3陶瓷能够获得较高的强度和断裂韧性以及较好的高温性能,是制备纯Al2O3陶瓷刀具的理想材料。

 

3.1.2复合Al2O3陶瓷刀具

 

在复合陶瓷中,有几种复合方向:Al2O3-碳化物陶瓷刀具、Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具、Al2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。Al2O3-碳化物陶瓷刀具,是在Al2O3中添加一定的碳化物,以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等。[4]

 

在添加物中,以添加TiC的应用最多,与纯Al2O3陶瓷相比,Al2O3-碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论是在常温还是高温下都优于纯Al2O3陶瓷。此复合刀具适合于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具,它是在Al2O3中除了添加碳化物外,还添加少量的粘结金属,由于添加了金属,提高了Al2O3与碳化物的连接强度,改善了使用性能,此类陶瓷刀具适合于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料等。

 

它是目前精加工冷硬铸铁轧辊的最佳刀具,并且可以应用于间断切削和有切削液的切削场合。

 

3.1.3增韧Al2O3陶瓷刀具

 

增韧Al2O3陶瓷刀具是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有:ZrO2相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。ZrO2相变增韧是一种有效的增韧方式,当ZrO21150℃左右时发生相变时产生体积变化,在基体中诱导出许多裂纹,从而吸收其主裂纹尖端的大部分能量,达到增韧的目的。利用微米级或亚微米级ZrO2相变增韧Al2O3制成的Al2O3陶瓷刀具,可以有效改善刀具的断裂韧性。

 

3.2电子、电力方面

 

在电子、电力方面,有各种Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种Al2O3陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等,其中以Al2O3透明陶瓷和基片应用最广。

 

3.2.1 Al2O3透明陶瓷

 

透明陶瓷按其应用可以分为两大类:透光、透波性应用和特种光功能应用。

 

在透光、透波性应用方面,有用透明Al2O3陶瓷制造的新型节能灯具金卤灯、高强度透明装甲材料、红外透波材料等,这些材料是民用和国防装备中的重要材料。MgAl2O4透明陶瓷就是属于这类材料,它既具有陶瓷的特点又具有蓝宝石晶体、石英玻璃的光学性能,可用于透明装甲、照明灯具等。[5]

 

在特种光功能特性应用方面,有薄膜发光材料、高功率全固态激光器、透明闪烁陶瓷等。薄膜发光材料中的Al2O3材料,已经被证明是最有前景的薄膜发光材料,这是因为它具有高透明、热稳定性好和相对高的发光亮度等性能。

 

3.2.2 Al2O3陶瓷基片

 

Al2O3陶瓷基片具有机械强度高、绝缘性好、避光性高等优良性能,广泛用于多层布线陶瓷基片、电子封装及高密度封装基片。在制备Al2O3陶瓷基片中常用的成形方法有干压、流延等,而流延成形是目前应用最广的成形方法。流延成形分为非水系和水系:非水系流延成形工艺简单,但会对环境造成污染且成本较高;水系流延成形较环保,且成本较低,但工艺较难。

 

氧化铝陶瓷的制备与应用 

 

目前,在工业应用中大部分都采用非水系流延成形Al2O3陶瓷基片,利用非水系流延成形可以制备表面光滑、平整、致密度高的Al2O3陶瓷基片,但在制备工艺中,基片的烧结温度高、耗能大。[6]因此可以在Al2O3陶瓷基片中加入一些添加剂以降低烧成温度,如加入Fe-Cr-Mn系黑色色料来制备黑色Al2O3陶瓷基片,可以在其它性能一致的条件下有效地降低Al2O3陶瓷基片的烧结温度,减少能耗。

 

3.3化工方面

 

在化工应用方面,Al2O3陶瓷也有较广泛的用途,如Al2O3陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等,其中以Al2O3陶瓷膜和涂层的研究和应用最多。

 

Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有大量的应用,因此陶瓷无机膜日益受到科技界与工业界的广泛关注。Al2O3陶瓷膜的制备方法有很多,有溶胶-凝胶法、固态粒子烧结法、化学气相沉积法、阳极氧化法等。[7]

 

3.4医学方面

 

在医学方面,Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。Al2O3陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性,是制备人造骨和人造关节的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一样的缺点如脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等,因此需要进一步研究应用。[7]

 

氧化铝陶瓷的制备与应用 

 

3.5其它方面

 

Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广的材料之一,除了以上的几种应用外,它还广泛应用于其它一些高科技领域,如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域。

 

小结:


氧化铝陶瓷材料是应用较多的陶瓷材料之一。国外对氧化铝材料的研究起步较早,尤其是在科技含量高的领域如机械加工、医学、航空航天等。而国内对氧化铝材料研究相对较晚,技术相对落后,且制造业中生产工艺较落后、装备不精,所以产品质量跟西方发达国家相比还是存在一定的差距。因此,提高我国氧化铝材料的研究水平及大力推广氧化铝材料的应用已迫在眉睫。

 

参考文献:

 [1]朱武斌,郭志军.氧化铝陶瓷的发展与应用[J].陶瓷,2003.

[2]刘维良.先进陶瓷工艺学(第1版)[M].武汉理工大学出版社,2004:166-167.

[3]金燕,周玉锁.高纯度氧化铝粉体制备的研究[J].河北陶瓷,2000.

[4]周彬.材料加工研究[J].机械管理开发,2004.

[5]钟声,苗忠.氧化铝基复合陶瓷的晶须增韧[J].长春大学学报,2008.

[6]任萍萍.氧化铝基复合陶瓷的制备和性能测试[D].合肥工业大学硕士论文,2004.

[7]张传.氧化铝基金属陶瓷的制备与微观组织研究[D].东南大学硕士论文,2004.

 

 

氧化铝陶瓷的制备与应用 

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