氧化铝陶瓷的烧结

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1、氧化铝陶瓷的烧结摘要：随着科学技术与制造技术日新月异的发展，氧化铝陶瓷在现代工业中得到了深入的发展和广泛的应用。本文就氧化铝陶瓷的烧结展开论述。主要涉及原料颗粒和烧结助剂两方面，以获得性能良好的陶瓷材料，对满足工业生产和社会需求有非常重要的意义。关键词：氧化铝；原料颗粒；烧结助剂；1引言在科学技术和物质文明高度发达的现代社会中，人类赖以制成各种工业产品的材料实在千差万别，但总体包括起来，无非金属、有机物及陶瓷三大类[1]。氧化铝陶瓷是目前世界上生产量最大、应用面最广的陶瓷材料之一，具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和

2、熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等性能，而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。基于Al2O3陶瓷的一系列优良性能，其广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域[2]。在氧化铝陶瓷的生产过程中,无论是原料制备、成型、烧结还是冷加工,每个环节都是不容忽视的。目前氧化铝陶瓷制备主要采用烧结工艺[3]，坯体烧结后，制品的显微结构及其内在性能发生了根本的改变,很难通过其它办法进行补救。因此，深入研究氧化铝陶瓷的烧结技术及影响因素，合理选择理想的烧结制度确保产品的性能、分析烧结机理、研究添加剂工作机理等对氧

3、化铝陶瓷生产极有帮助，为氧化铝陶瓷的更广泛应用提供理论依据，为服务生产和社会需要非常重要。2氧化铝陶瓷简介Al2O3是新型陶瓷制品中使用最为广泛的原料之一，具有一系列优良的性能[4]。Al2O3陶瓷通常以配料或瓷体中的Al2O3的含量来分类，目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料。由于其烧结温度高达1650℃~1990℃，透射波长为1μm~6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚，利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。普通型氧化铝陶

4、瓷系Al2O3按含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。Al2O3陶瓷的机械强度极高，导热性能良好，绝缘强度、电阻率高，介质损耗低，其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等。95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件，85瓷中由于常掺入部分滑石粉，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件[5]。Al2O3有许多同质异晶体，根据研究报道至少有10多种，说法不太一致。这些变体中最常

5、见的是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3三种，其余的主要是铝土矿热分解过程中的过渡相。它们在1200℃以上几乎全部不可逆的转变为α-Al2O3[6]。其晶体结构如图1所示，属三方柱状晶体，它是用途最广泛，原料最丰富，价格最低廉的一种高温结构陶瓷。由于α-Al2O3具有熔点高，硬度大，耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种型态中最稳定的晶型，也是自然界中惟一存在的氧化铝的晶型，如天然刚玉、红宝石等。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[7]。图1A

6、l2O3的晶体结构3氧化铝陶瓷的烧结烧结就是将粉末或者粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的目的是使粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体，来获得所需的物理、机械性能的制品或材料[8]。3.1烧结理论简述当对固态素坯进行高温加热时，素坯中的颗粒发生物质迁移，达到某一温度后坯体发生收缩，出现晶粒长大，伴随气孔排除，最终在低于熔点的温度下，素坯变成致密的多晶陶瓷材料。烧结而导致材料致密化的基本推动力是系统表面能的下降，因为素坯中粉末颗粒（通常为

7、亚微米级甚至纳米级）具有较大的表面积，因而有较高的表面能。任何系统都有向最低能量状态转化的趋势，因此表面能的降低，就可作为烧结的推动力。陶瓷烧结依据是否产生液相分为固相烧结和液相烧结。对于离子键结合的许多烧结活性好的的氧化物超细粉末，如Al2O3、ZrO2可实现固相烧结；但对于共价键为主的非氧化物陶瓷，如Si3N4，SiC，AlN，B4C等通常要加入适量的烧结助剂，通过形成液相来实现致密烧结。液相烧结分为颗粒重排、溶解-沉淀和后期固体骨架聚合3个阶段。初期的颗粒重排过程为液相填充气孔，液相量越多，相对密度越大。溶解-沉淀过程

8、小晶粒溶解于液相中并沉积到大颗粒表面，在此过程中如液相太多，则会出现晶粒异常长大或二次再结晶[9]。氧化铝陶瓷烧结体的显微结构如图2所示。图2氧化铝陶瓷烧结体的显微结构烧结过程中通常发生三种主要变化：1）晶粒尺寸及密度的增大；2）气孔形状的变化；3）气孔尺寸和数量的变化，通常使气孔率减小。