氧化鋁陶瓷是以α-Al2O3為主晶結(jié)合成的陶瓷產(chǎn)品,其Al2O3的含量一般會在75%以上。人們通常以配料中Al2O3的含量對其進(jìn)行分類,其中:Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”,因Al2O3燒結(jié)溫度較低,所以75瓷的成本較其他氧化鋁陶瓷低,但因其性能相比不明顯,現(xiàn)已基本不再采用了。
Al2O3含量在85%左右的為“85瓷”,在制造85瓷的過程中,常在配料中摻入滑石粉等粉料,以提高陶瓷產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度與電性能。85瓷常用于制作電真空裝置器件。
Al2O3含量在95%左右的為“95瓷”,主要用作耐腐蝕、耐磨部件。
Al2O3含量在99%左右的為“99瓷”,99瓷具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)良性能,可用于制作特殊耐火器件、特殊耐磨器件,比如陶瓷軸承、陶瓷爐管、陶瓷坩堝等。
Al2O3含量在99.9％以上的是“高純型氧化鋁陶瓷”,這種陶瓷的燒結(jié)溫度高達(dá)1650℃以上,并具備透射性,可用于制作鈉燈管等器件;也可用于制作集成電路基板、高頻絕緣材料等電子工業(yè)基礎(chǔ)器件。
氧化鋁陶瓷的制造工序大致可以分為四步：
1、原料制備
氧化鋁在地殼中含量非常豐富,在巖石中平均含量為15.34%,是自然界中僅次于SiO2存量的氧化物。應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的氧化鋁主要有2種,即工業(yè)氧化鋁和電熔剛玉。
工業(yè)氧化鋁一般是以含鋁量高的天然礦物鋁土礦、鋁石和高嶺土為原料,通過堿法、多采用拜爾法等化學(xué)方法處理,除去硅、鐵、鈦等雜質(zhì),制備出氫氧化鋁,再經(jīng)煅燒而制得。工業(yè)氧化鋁是白色松散的結(jié)晶粉末,平均粒徑介于40～70μｍ之間,孔隙率大約為30%。
電熔剛玉是以工業(yè)氧化鋁或富含鋁的原料在電弧爐中熔融、緩慢冷卻、析晶出來的晶體,Al2O3的含量可達(dá)99%以上,Na2O含量可減少至0.1%～0.3%。電熔剛玉的礦物組成主要是α-Al2O3,屬三方柱狀晶體,晶體結(jié)構(gòu)中氧離子形成六方較緊密堆積,鋁離子則在6個氧離子圍成的八面體中心,是氧化鋁各種型態(tài)中較穩(wěn)定的晶型。由于α-Al2O3具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕、介電性好等優(yōu)良特性,用α-Al2O3為原料制備的氧化鋁陶瓷材料,其機(jī)械性能、高溫性能、介電性能及耐化學(xué)腐蝕性能都非常優(yōu)異。
不同的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品與不同的成型工藝對氧化鋁粉料有不同的要求,若制造高純型氧化鋁陶瓷產(chǎn)品,氧化鋁粉料的純度要在99.99%以上,并需要對其進(jìn)行很細(xì)粉碎,使氧化鋁顆粒均勻分布。若采用注射成型工藝和擠壓成型工藝,氧化鋁粉料中還需要摻入粘結(jié)劑和可塑劑,以利于成型的操作。若采用半自動或全自動干壓成型,則需要對粉料使用噴霧造粒法進(jìn)行處理,使粉料呈圓球狀,以提高粉料的流動性,便于自動充填和成型。
2、成型
氧化鋁陶瓷的成型是將氧化鋁原料制作成陶瓷坯體的過程,成型的方法較多,有注漿法、注射法、干壓法、擠壓法、冷等靜壓法、熱壓與熱等靜壓成型法等多種方法。不同的形狀、尺寸與精度的產(chǎn)品需要不同的成型方法。其中,注漿成型是較早被采用的方法,因該方法主要使用石膏模為模具進(jìn)行漿料澆注成型,所以使用這種方法制造氧化鋁陶瓷成本低,并且可以制作外形復(fù)雜以及尺寸較大的產(chǎn)品。注漿成型技術(shù)的關(guān)鍵是制備漿料,一般是使用水對氧化鋁粉料進(jìn)行溶解,并加入適量解膠劑、粘結(jié)劑,對混合漿料進(jìn)行充分研磨、排氣,較后注入石膏模內(nèi)。由于石膏模的毛細(xì)管會吸附漿料中的水分,漿料會在模內(nèi)慢慢固化成型。為減少坯體的收縮,應(yīng)制備和使用高濃度漿料。
干壓成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn),為氧化鋁陶瓷的市場化推廣提供了生產(chǎn)基礎(chǔ)。但干壓成型技術(shù)僅能生產(chǎn)形狀單純的標(biāo)準(zhǔn)件,并對制品的規(guī)格有限定,即內(nèi)壁厚度要很過1mm,長度與直徑之比小于4∶1。在干壓過程中,模具充填時粉體顆粒的均勻分布狀況、充填量是否精準(zhǔn)對氧化鋁陶瓷制品的質(zhì)量、尺寸、精度等性能的影響很大。經(jīng)實(shí)踐,當(dāng)氧化鋁粉體的顆粒介于60～200μm之間可取得較佳成型效果。
3、燒結(jié)
燒結(jié)是將陶瓷坯體在高溫下進(jìn)行致密,較終形成固體材料的一種技術(shù)。當(dāng)前市場上使用較廣泛的裝置是電爐。常見的燒結(jié)方式有3種:常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。其中:熱壓燒結(jié)可以連續(xù)生產(chǎn),提高了氧化鋁陶瓷生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量,但熱壓設(shè)備的購置成本和模具費(fèi)用與其他方法相比較高,經(jīng)濟(jì)效益不佳。其次,熱壓燒結(jié)需要限制陶瓷制品的尺寸。熱等靜壓燒結(jié)是使用高溫高壓氣體對陶瓷坯體進(jìn)行壓縮致密的方法,該方法具有受力、受熱均勻的優(yōu)點(diǎn),非常適合形狀復(fù)雜的制品的成型。使用該種方法燒成的陶瓷材料,其性能要比冷壓燒結(jié)的產(chǎn)品性能提高30%以上,比一般熱壓燒結(jié)產(chǎn)品的性能提高10%以上,因此一些高附加值的產(chǎn)品及特殊的零部件均采用熱等靜壓燒成方法,如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等制品。
4、精加工與封裝工序
有些氧化鋁陶瓷材料在燒結(jié)后需要進(jìn)一步精加工,比如對產(chǎn)品表面進(jìn)行拋光或鍍膜,以增強(qiáng)其光潔度及力學(xué)強(qiáng)度。加工或精加工結(jié)束后,一般使用塑料等容器進(jìn)行封裝。
氧化鋁陶瓷具有穩(wěn)定的理化性能和十分優(yōu)異的機(jī)電性能,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高,各種高性能的氧化鋁陶瓷新材料、新產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn),但仍有很多指標(biāo)需改善,有很多特性等待大家共同去研究、開發(fā)。同時,對氧化鋁陶瓷新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用將是材料科學(xué)未來發(fā)展的重要分支。