氧化鋁陶瓷由于其具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)異的性能,而且原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉,在電子、航空、機(jī)械、紡織、化工、建筑等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。然而,由于Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃,氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度也較高,這就需要消耗大量的能源,而且對(duì)設(shè)備的要求也較高。所以,降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度非常重要。
目前降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的方法很多,比如降低氧化鋁粉的粒度、采用燒結(jié)工藝、添加燒結(jié)助劑等。
由于降低原料粉體粒度需要采用不同的預(yù)處理工藝,原料成本高、工藝復(fù)雜,而燒結(jié)技術(shù)往往要消耗能源,同時(shí)部分燒結(jié)方式難以控制燒結(jié)體形狀,在不添加任何助劑的情況下制得的氧化鋁陶瓷性能較差;因此,與其他方法相比,燒結(jié)助劑法具有成本低、效果好、工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)摻雜改性技術(shù)可以大幅提高氧化鋁陶瓷的機(jī)電性能,是目前-種低溫?zé)Y(jié)方法。
燒結(jié)助劑的作用機(jī)理
燒結(jié)是通過(guò)加熱使原料粉體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)、經(jīng)過(guò)物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程。普通陶瓷粉體之所以難于燒結(jié),原因就在于其晶格能較高、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散需要較高的活性,即燒結(jié)激活能大,因此需要較高的溫度。
為了達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)的目的,一方面可考慮活化晶格,降低中國(guó)粉體網(wǎng),編輯整理燒結(jié)激活能,主要通過(guò)摻雜破壞穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使得晶體Cnpowder. cam. .cn.中產(chǎn)生缺陷或者引起晶格畸變來(lái)實(shí)現(xiàn);另一方面可考慮加速擴(kuò)散過(guò)程,主要通過(guò)在體系中產(chǎn)生液相,液相通過(guò)表面張力作用產(chǎn)生顆粒粘結(jié)并填充氣孔,同時(shí)利用“溶解-沉淀”機(jī)理,通過(guò)液相傳質(zhì)作用使溶解的小晶粒逐漸在大晶粒表面沉積,達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)的效果。
常用燒結(jié)助劑體系
在實(shí)際生產(chǎn)中,單一助劑往往不能同時(shí)滿足其燒結(jié)和機(jī)電性能的要求,一般情況下單一助劑在降低燒結(jié)溫度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致陶瓷性能的降低,因此,采用多種不同助劑組成的復(fù)合添加劑要比單獨(dú)使用其中一種助劑更為常見。
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CaO-MgO-SiO2體系
采用這一體系的燒結(jié)助劑,可在1500~1550℃左右合成氧化鋁基陶瓷。MgO對(duì)氧化鋁陶瓷的細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)起了重要作用,MgO在燒結(jié)中能維持CaO/SiO2比,即維持燒結(jié)系統(tǒng)中的液相量,并有尖晶石、鎂鋁硅酸鹽、鋁硅酸鹽、鋁酸鹽等多種第二相晶體生成,對(duì)晶界移動(dòng)具有釘扎作用;同時(shí)引入了少量的La2O3、Sm2O3等稀土氧化物,使Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度下降大約30℃,其表面顯微結(jié)構(gòu)也有所改善,這主要是由于La2O3和Sm2O3為網(wǎng)絡(luò)變性離子,能夠分解熔體網(wǎng)絡(luò)而促進(jìn)燒結(jié)。
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MnO2-TiO2-MgO體系
通過(guò)加入MnO2-TiO2-MgO復(fù)相添加劑,在1300℃下可以獲得相對(duì)密度為95%的氧化鋁陶瓷,其中MnO2可以促進(jìn)燒結(jié),而MgO起到了顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑的作用,在MnO2和MgO含量一定的情況下,加入少量TiO2可使氧化鋁燒結(jié)獲得良好的力學(xué)性能,再加入過(guò)量的TiO2反而使強(qiáng)度降低。
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CuO-TiO2體系
這一體系助劑具有良好的低溫?zé)Y(jié)特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)摻入CuO-TiO2時(shí),添加劑系統(tǒng)以形成液相的形式促進(jìn)氧化鋁燒結(jié),添加劑含量的增加有助于氧化鋁陶瓷的致密化,當(dāng)CuO∶TiO2為1∶2、添加量為2wt%的時(shí)侯,在1300℃就能在無(wú)壓燒結(jié)情況下達(dá)到99%的相對(duì)密度,并通過(guò)燒結(jié)動(dòng)力學(xué)研究得到氧化鋁樣品的激活能為25.2kJ/mol,表明可能是鋁離子和氧離子的擴(kuò)散過(guò)程控制了氧化鋁陶瓷的燒結(jié)。在此添加劑中繼續(xù)摻入SiO2后,在1400℃時(shí)生成了各向異性晶粒,可以改善其斷裂韌性。
總結(jié)
近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)燒結(jié)助劑的研究已經(jīng)做了大量工作,在滿足低溫?zé)葾l2O3陶瓷的同時(shí),也在不斷提高其機(jī)械性能和電性能。但目前的研究成果大部分主要還集中在實(shí)驗(yàn)室階段,與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系得不夠緊密。降低復(fù)合燒結(jié)助劑的制造成本,不同成形工藝對(duì)燒結(jié)助劑的不同要求,低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑氧化物之間的作用機(jī)理,燒結(jié)助劑在不同溫度段的基礎(chǔ)理論等方面還有待進(jìn)一步研究。