特种陶瓷 课件 5章 结构陶瓷- 5.1氧化铝陶瓷（2009.11.23）

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1、第5章结构陶瓷本章主要内容:5.1氧化铝陶瓷5.2氧化锆陶瓷5.3氧化镁、氧化铍陶瓷5.4碳化物陶瓷5.5氮化物陶瓷5.1氧化铝陶瓷一、Al2O3陶瓷类型二、Al2O3的晶型三、Al2O3原料的制备四、Al2O3的预烧五、Al2O3陶瓷的生产工艺六、Al2O3陶瓷的后加工处理七、Al2O3陶瓷的性能与应用一、Al2O3陶瓷类型氧化铝陶瓷（aluminaceramics）是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量一般在75~99.9%之间。通常以配料中Al2O3的含量来分类。根据Al2O3含量不同，习惯上称为75瓷、80瓷、85瓷、9

2、0瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。二、Al2O3的晶型Al2O3具有多种晶体结构，大部分是由氢氧化铝脱水转变为稳定结构的α-Al2O3时所生成的中间相。它们的结构是不完整的，在高温下是不稳定的，最后都转变成α-Al2O3。据文献报道，已有α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、κ、λ、ρ及无定型氧化铝等12种。但最为常见的有三种，即α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3。(1)α-Al2O3属三方柱状晶体，晶体结构中氧离子形成六方最紧密堆积，铝离子则在6个氧离子围成的八面体中心。有天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。由于α-Al2O3具有熔点高，硬度大，

3、耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种形态中最稳定的晶型，也是自然界中惟一存在的氧化铝的晶型。用α-Al2O3为原料制备的氧化铝陶瓷材料，其机械性能、高温性能、介电性能及耐化学腐蚀性能都是非常优异的。(2)β-Al2O3β-Al2O3实际上不是氧化铝的变体，而是一种含碱金属(或碱土金属)的铝酸盐(其通式为R2O·11Al2O3，或RO·6Al2O3)。β-Al2O3是一种不稳定的化合物，加热时，会分解生成Na2O(或RO)和α-Al2O3，Na2O则挥发逸出，其分解温度取决于高温锻烧时的气氛和压力。在空气或氢气中1200℃便开始分解，超过1650℃

4、则剧烈挥发。由于β-Al2O3的结构具有明显的离子导电能力和松弛极化现象，介质损耗大，电绝缘性能差，在制造无线电陶瓷时不允许β-Al2O3的存在。(3)γ-Al2O3γ-Al2O3是氧化铝的低温形态，由制备工业氧化铝的中间产物——氢氧化铝经锻烧而得。其结构疏松，易于吸水，且能被酸碱溶解，性能不稳定，不适于直接用来生产氧化铝陶瓷。通过采用适当的添加剂对γ-Al2O3进行高温锻烧，使γ-Al2O3不可逆转的变为α-Al2O3(950~1500℃)，此过程伴随着14.3%的体积收缩，使用锻烧收缩后得到的α-Al2O3生产氧化铝陶瓷，有利于产品尺寸的控制和

5、减少产品的开裂。三、Al2O3原料的制备一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有两大类，一类是工业氧化铝，另一类是电熔刚玉。1.工业氧化铝工业氧化铝的制备：工业氧化铝粉是以铝矾土（主要矿物组成为一水硬铝石（Al2O3•H2O）、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物）为原料，用湿碱法(拜尔法)和干碱法(烧结法)制备的。工业氧化铝其矿物成分绝大部分是γ-Al2O3。NaAlO2→Al(OH)3→g-Al2O3→a-Al2O3湿碱法：Al2O3·3H2O+2NaOH→2NaAlO2(偏铝酸钠)+4H2O烧结法：Al2O3·3H2O+Na2CO3→2NaAlO2+

6、CO2＋3H2O工业氧化铝是白色松散的结晶粉末，颗粒是由许多粒径<0.1um的γ-Al2O3晶体组成的多孔球形聚集体，其空隙率约为30%，平均粒径为40~70um。工业氧化铝主要杂质成分中，Na2O及Fe2O3将降低氧化铝瓷件的电性能，因此Na2O的含量应<0.5%~0.6%，Fe2O3含量应<0.04%。另外，在电真空瓷件中，工业氧化铝不得含有氯化物、氟化物等，因为它们能侵蚀电真空装置。2.电熔刚玉电熔刚玉是以工业氧化铝或铝土矿加碳在电弧炉内于2000~2400℃熔融，缓慢冷却使晶体析晶出来，也称人造刚玉。其Al2O3含量可达99%以上，Na2O

7、含量可减少至0.1%~0.3%。电熔刚玉的矿物组成主要是α-Al2O3，纯正的电熔刚玉呈白色，称为白刚玉；熔制时加入氧化铬，可制成红色的铬刚玉；加入氧化锆时可制成锆刚玉；电熔刚玉中含有TiO2则称为钛刚玉。这一系列的电熔刚玉由于熔点高、硬度大，是制造高级耐火材料以及高硬磨料磨具的优质原料（刚玉熔点为2050℃，莫氏硬度为10）。四、Al2O3的预烧1.Al2O3预烧的目的1）使γ-Al2O3全部转变为α-Al2O3，减少烧成收缩。由于工业Al2O3中含有γ-Al2O3，它在1200℃以上将不可逆转地转变为α-Al2O3，同时伴有14%左右的体积收缩

8、。为消除这种收缩，在制坯前应对工业Al2O3进行预烧。2）排除Al2O3原料中的Na2O，提高原料的纯度。2.影响预烧质量