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氧化铝陶瓷低温烧结分析

日期: 2020-10-13
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氧化铝陶瓷是以氧化铝为主要原料,刚玉为主要晶相的陶瓷材料。氧化铝陶瓷具有良好的导电性、机械强度和耐高温性能。它广泛应用于电子、电气、机械、纺织、航空航天等领域。这也确立了其在陶瓷材料领域的崇高地位。由于氧化铝的熔点高达2000多度,所以氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高,这使得氧化铝陶瓷的生产需要使用高温加热元件或高品质的燃料和先进的耐火材料作为窑炉和窑具,这在一定程度上限制了其生产和广泛应用。


因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度,降低能耗,缩短烧结周期,减少窑炉和窑具的损耗,从而降低生产成本,一直是企业关注和迫切需要解决的重要问题。从目前各种氧化铝陶瓷的低温烧结技术来看,主要从原料加工、配方设计和烧结工艺三个方面采取措施。


一、通过提高氧化铝粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度


与块状物相比,粉末具有大的比表面积,这是外部作用于粉末的结果。通过机械或化学作用制备粉末时消耗的部分机械能或化学能将作为表面能储存在粉末中。此外,在粉末的制备过程中,粉末的表面和内部会出现各种晶格缺陷,从而激活晶格。


目前,超细活性易烧结氧化铝粉体的制备方法分为两类,一类是机械法,另一类是化学法。机械法是利用机械外力来细化氧化铝粉末颗粒。常用的研磨工艺包括球磨、振动研磨、砂磨、气流研磨等。虽然通过机械粉碎来增加粉末的比表面积是有效的,但是它有一定的限制,通常只有粉末的扁平均粒度可以减小到大约1m或更小,并且它具有粒度分布范围宽和容易引入杂质的缺点。


目前化学法大致有以下3种工艺流程:


⑴形成金属氧有机配合物溶胶水解缩合合成含羟基的三维聚合物结构溶胶蒸发脱水成凝胶低温煅烧得到活性氧化物粉末。


⑵将含有不同金属离子的酸式盐溶液和有机胶混合形成溶液;溶胶蒸发脱水形成凝胶;低温煅烧形成粉末


⑶将含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶,然后在低温下煅烧成粉末。

氧化铝陶瓷低温烧结分析

二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度


氧化铝陶瓷的烧结温度主要取决于其化学成分中氧化铝的含量。氧化铝含量越高,陶瓷材料的烧结温度越高。此外,它还与陶瓷材料的成分体系、各成分的比例以及添加剂的种类有关。目前,配方设计中添加的各种添加剂根据其促进氧化铝陶瓷烧结的不同作用机理可分为两类,即形成新相或固溶体的添加剂和形成液相的添加剂。


1、与氧化铝形成新相或固溶体的添加剂。


这些添加剂是一些接近氧化铝晶格常数的氧化物,如氧化钛、氧化铁、氧化锰等。在烧结过程中,这些添加剂会与氧化铝形成固溶体。


这种添加剂在促进氧化铝陶瓷烧结方面具有一定的规律性:能与氧化铝形成有限固溶体的添加剂比形成连续固溶体的添加剂具有更大的冷却效果;(2)添加剂,如变价离子,比定价添加剂有更大的影响;(3)阳离子电荷越多、电价越高的添加剂冷却效果越好。


2、在烧制过程中形成液相的添加剂。


这类添加剂的化学成分主要有氧化硅、氧化钙、氧化镁等,它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成温度低,因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。


三、采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度


采用热压烧结工艺,在对坯体加热的同时进行加压,那么烧结不仅是通过扩散传质来完成,此时塑性流动起了重要作用,坯体的烧结温度将比常压烧结低很多,因此热压烧结是降低氧化铝陶瓷烧结温度的重要技术之一。


在生产实践中,为了获得最佳的综合经济效益,上述低燃烧技术常常相互结合使用。与其他方法相比,添加辅助燃烧添加剂的方法具有成本低、效果好、工艺简单实用的特点。此外,从材料角度来看,通过掺杂改性技术,氧化铝陶瓷的各种力学和电学性能都得到了很大提高,用低氧化铝含量的陶瓷体代替高氧化铝含量的陶瓷体,这也是企业降低氧化铝陶瓷制品烧结温度常用的有效技术手段。


氧化铝陶瓷作为先进陶瓷中应用最广泛的材料之一,随着整个工业的发展,呈现出技术装备水平快速提高、产品质量不断提高、工业规模由小到大、产品质量由低到高的趋势。从氧化铝陶瓷的应用来看,应用范围越来越广,用量也越来越大,尤其是在耐磨工程和建筑陶瓷生产中,用量的增加会更加显著。

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