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氧化铝陶瓷各种制备工艺的优缺点

发布日期:2019-4-23 已被浏览167 次

1931年,德国SiemensHalske公司最早将氧化铝陶瓷应用于火花塞材料,并获得了专利。随着电子工业的发展和技术进步,日本于1942年将氧化铝陶瓷用在了军需用的航空飞机的火花塞上。后来,氧化铝陶瓷逐步被应用于真空电子器件,用来制备高压钠灯管、集成电路基板等高科技产品。氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3主晶相的陶瓷材料,其α-Al2O3含量一般为75%~99.9%。根据其中氧化铝含量的不同分为99瓷、95瓷、85瓷和75瓷等。含量在99%左右的为99瓷,含量在95%左右的为95瓷,以此类推。由于它熔点高、硬度大、绝缘电阻大、化学稳定性好,被广泛应用于耐磨材料、高温结构材料、电绝缘材料和耐化学腐蚀材料等。因此,新型的制作工艺越来越受到科技工作者的重视。

1氧化铝陶瓷制备工艺

1.1氧化铝陶瓷的成型工艺

氧化铝陶瓷成型的方法有很多种,常见的成型方法主要有干压成型、挤压成型、注射成型、流延成型与热等静压成型等,近些年来也开发出不少新的成型工艺,如压滤成型、固体自由成型、凝胶注成型等。

1.1.1干压成型

干压成型是一种比较成熟的工艺,这种成型方法是利用外力作用,增大内摩擦力,使颗粒之间由于内摩擦力的作用而产生联结,维持一定形状的一种成型方法。干压成型的优点是工艺相对比较简单,操作起来比其他方法更加容易。

1.1.2凝胶注模成型

20世纪末,研究人员已经开发出了基于注射成型的新型成型工艺,即注模成型。这种成型方法的成型周期比其他方法短,在脱模时,不易发生变形开裂,有机载体添加的量比以前降低,仅仅占到坯体总质量的2/100~4/100,而且这种成型方法对脱脂十分有利。RuipingLiu等人通过对氧化铝陶瓷的凝胶注模成型观察得出结论,即利用凝胶注模法制作的多孔陶瓷,不仅具有较高的孔隙率,而且强度很高。谢志鹏等人研究了添加剂对氧化铝凝胶流延成型所产生的影响。J.M.Tulliani通过这一方法,制备出孔隙率达到75%的多孔氧化铝陶瓷。

1.1.3氧化铝微注射成型工艺

粉末微注射成型技术对所用的粉末颗粒有着一定要求,其平均直径一般小于1滋m。生产出来的陶瓷部件性能优良。例如,具有较好耐腐蚀性、高强度的陶瓷部件。目前,含氧化铝的微型陶瓷部件也得到了应用;MengJunhu等人用低压微注射成型技术生产一种氧化铝陶瓷材料通道,生产的通道有致密度高的特点;Loebbecke等人研究黏结剂和粒子直径对流变特性所产生的影响;RuhAndreas用微注射成型法制得氧化铝陶瓷齿轮;Thomas利用这一成型方法,制备出氧化铝陶瓷牙托。

1.1.4注凝成型

注凝成型工艺首先要选用高浓度低黏度的浆料进行注模,然后通过加入的引发剂和催化剂,调节温度使有机单体聚合,以三维网状的形式形成拥有一定强度的生坯,再经脱模、干燥、排胶处理后烧结,获得产品。注凝成型的优点是工艺较简单,成型的素坯均匀性好,强度高且容易加工。而且,这种成型方法对模具没有太多的要求,成型过程中坯体的收缩较小,适合于制作尺寸较大、形状复杂的陶瓷件。

1.1.5流延成型

流延法也叫刮刀成型法,在技术上比较新颖,适用于薄片陶瓷材料的制作,利用这个方法成型一般要在陶瓷粉料中添加其他成分,如黏结剂、分散剂、增塑剂等,制作成浆料十分均匀,从而使最后得到的陶瓷片厚度符合制作的要求。流延成型一般分为2种,一种是非水基成型。例如,丁国强等人采用了非水基流延成型工艺生产出了氧化铝陶瓷基片,而且对非水基流延工艺的参数对基片性能的影响进行了探讨。另一种是水基流延成型。付长翼等人采用这种工艺,制备了性能优良的氧化铝陶瓷基片。

1.2氧化铝陶瓷的烧结工艺

氧化铝陶瓷在烧结的过程中需要的温度非常高,所以对窑炉和窑具的制作材料有很严格的要求。高温发热体耐火材料的选择成为一个关键的问题。因此,如何把氧化铝陶瓷的烧结温度降低,减少其烧结所使用的时间,还有减少窑炉和窑具在烧结过程中的损耗等,降低生产成本,是始终值得关注的课题。

1.2.1热压烧结

热压烧结即在烧结的同时施加一定的压力,而在压力的条件下会使得原子的扩散速率增大,从而提高了烧结驱动力,使得烧结过程所需的时间大大减短。JoRoy等人运用热压烧结技术,在10MPa的压力、1600℃的环境下,进行了10min的烧结,制备出陶瓷材料,它的相对密度高达99%,晶粒尺寸随着烧结温度的提高而增大。从中可以看出,烧结温度对晶粒生长的影响较大,而烧结时间与烧结压力的影响相对来说就比较小一些。

1.2.2超高压烧结

超高压烧结是指在较大的压力条件下进行烧结,用这种方法烧结不需要用很高的温度就能够成功制得高致密、高纯度的氧化铝陶瓷。Liao等人在素坯经800℃的烧结之后,制备的高纯氧化铝陶瓷相对密度达到98.2%,晶粒的平均尺寸只有49nm。这是目前报道中,氧化铝陶瓷密度一样大小的前提条件下,烧结温度的最低点。超高压作用下能有效地降低烧结温度,减少能耗,提高氧化铝陶瓷致密度。

1.2.3高真空烧结

高真空烧结是指在高度真空的状态下进行烧结的一种烧结技术。王利等人以高纯氧化铝为原材料,所用高纯氧化铝的纯度大于99.99%,采用等静压成型技术,接着在1500℃的温度的真空条件下进行烧结,制备的高纯氧化铝陶瓷性能优异,不仅具有很高的抗弯强度,而且晶粒尺寸在2~3μm。Gustavo等人采用了高真空烧结技术制得氧化铝陶瓷,相对密度大,弯曲强度高。研究得出:运用高真空烧结方法制作高纯氧化铝陶瓷,不仅可以使晶界处杂质减少,而且出现气孔的概率也会降低。

1.2.4热等静压烧结

热等静压烧结实质上就是一种另类的热压烧结工艺。它是在高温的环境下,把所要烧结的坯体放置在气体介质之中,这样坯体会受到来自四面八方的压力的作用,所制作的陶瓷材料在致密度方面可以得到进一步的提高;热等静压在烧结过程消耗的时间较少,而且在烧结时所需要的温度相对来说也比较低;在微观结构上表现得十分均匀,性能十分优异。

1.2.5微波烧结

微波烧结利用微波在电磁场中的损耗对材料进行加热,直接把材料加热到烧结温度,速度快,瓷体致密。微波烧结法的气热流方向是自里而流向外的,异于其他的烧结方法,对坯体内的气体向外逸出这个过程十分有利;与此同时,粒子在微波的作用下,活性有所提高,其迁移容易进行,在烧结过程中,避免了陶瓷晶粒异常长大,制备出来的陶瓷性能令人满意。

微波烧结技术可以有效地解决尺寸较大、结构复杂的元件在非均匀加热时裂开的现象。它具有升温速度快、热效率高、安全、没有污染等特点,因此高纯氧化铝大多选用微波烧结法。

1.2.6放电等离子烧结

放电等离子烧结是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场使材料加热至烧结温度从而实现烧结的过程。它是通过一刹那间产生的放电等离子的作用之下,让所要烧结的材料里面各个颗粒都能够产生发热的效果,并且这些颗粒的发热十分均匀,可以在较短的时间内就可以达到致密的效果。王操等人采用放电等离子烧结工艺,采用两部加压的方式制备出在波长为64nm时,直线透过率为51%的样品;采用放电等离子烧结方法获得的样品,不仅晶粒细小,而且十分均匀,致密度高,所以放电等离子烧结的前景被很多人看好。

2应用与展望

氧化铝陶瓷广泛应用于水龙头阀芯、金属陶瓷刀具、化工填料球、陶瓷膜、耐腐蚀涂层等,特别是在生物医学领域和航空航天领域应用有其独特的优势。在生物医学方面,氧化铝陶瓷在人造骨头、关节和牙齿上应用得比较多。体外实验表明:氧化铝陶瓷对体外纤维细胞无毒性,因此可以长期存在体内环境。近年来,随着热等静压成形术和激光蚀刻技术的应用,第三代氧化铝陶瓷晶粒更加细小,纯度和密度相对于以前来说都有所提高,在强度和硬度方面也有十分显著的提升,并且碎裂率显著降低;这些特点使得它在全髋关节置换术中发挥重要作用。因为氧化铝拥有一个特性,就是无论是在高温下还是在生理液体中都十分稳定,而且将氧化铝陶瓷应用在全髋关节置换术中,氧化铝自身的亲水性能还可以减少材料的磨损,所以成为全髋关节置换术的优良材料。氧化铝陶瓷在航天方面也有着许多用途。航天飞机的热防护系统、导弹头锥及火箭发动机的垫圈都由氧化铝陶瓷制成。

随着科学技术的不断发展和制造水平的不断提高,氧化铝陶瓷行业迅速发展。陶瓷粉体的制备由微米级提高到了纳米级水平,纳米氧化铝陶瓷具有烧结温度低、强度高、韧性高等特点,具有广泛的应用前景。近年来,研制纳米氧化铝陶瓷已经成为材料科学工作者的主要研究目标之一。

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