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1、氧化铝陶瓷的发展与应用 前言氧化铝陶瓷具有机械强度高,绝缘电阻大,硬度高,耐磨、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能,其广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子等各个行业,是目前氧化物陶瓷中用途最广、产销量最大的陶瓷新材料。通常氧化铝陶瓷分为2大类,一类是高铝瓷,另一类是刚玉瓷。高铝瓷是以Al2O3和SiO2为主要成分的陶瓷,其中Al2O3的含量在45%以上,随着Al2O3含量的增多,高铝瓷的各项性能指标都有所提高;由于瓷坯中主晶相的不同,又分为刚玉瓷、刚玉—莫来石瓷、莫来石瓷等。根据Al2O3含量的不同,习惯上又称为75瓷、80瓷、85瓷、90瓷、9
2、2瓷、95瓷、99瓷等。高铝瓷的用途极为广泛,除了用作电真空器件和装置瓷外,还大量用来制造厚膜、薄膜电路基板,火花塞瓷体,纺织瓷件,晶须及纤维,磨料、磨具及陶瓷刀,高温结构材料等;目前市场上生产、销售和应用最为广泛的氧化铝陶瓷是Al2O3含量在90%以上的刚玉瓷。1 原料作为陶瓷原料主要成分之一的氧化铝在地壳中含量非常丰富,在岩石中平均含量为15.34%,是自然界中仅次于SiO2存量的氧化物。一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有2大类,一类是工业氧化铝,另一类是电熔刚玉。1.1 工业氧化铝工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿(主要矿物组成为铝的氢氧
3、化物,如一水硬铝石(xAl2O3·H2O)、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物组成)和高岭土为原料,通过化学法(主要是碱法,多采用拜尔法———碱石灰法)处理,除去硅、铁、钛等杂质制备出氢氧化铝,再经煅烧而制得,其矿物成分绝大部分是γ-Al2O3。工业氧化铝是白色松散的结晶粉末,颗粒是由许多粒径<0.1μm的γ-Al2O3晶体组成的多孔球形聚集体,其孔隙率约为30%,平均粒径为40～70μm。工业氧化铝含量的质量标准见表1。表1 工业氧化铝含量的质量标准(质量%)1级2级3级4级5级Al2O3>98.60≮98.50≮98.40≮98.30≮98.2
4、0SiO2≯0.02≯0.04≯0.06≯0.08≯0.10Fe2O3<0.03≯0.04≯0.04≯0.04≯0.04Na2O≯0.50≯0.55≯0.60≯0.60≯0.60灼减<0.80≯0.80≯0.80≯0.80≯1.00工业氧化铝的3项主要杂质成分中,Na2O及Fe2O3将降低氧化铝瓷件的电性能,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。1.2 电熔刚玉电熔刚玉是以工业氧化铝或富含铝的原料在电弧炉中熔融,缓慢冷却使晶体析晶出来,其
5、Al2O3含量可达99%以上,Na2O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、高硬磨料磨具的优质原料(刚玉熔点为2050℃,莫氏硬度为10)。1.3 氧化铝的主要晶型氧化铝具有多种晶体结构,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
6、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,最为常见的有α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O33种。α-Al2O3俗称刚玉,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。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。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。β-Al2O3实际上不是氧化铝的变体,而是一种含碱金属(或碱土
7、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煅烧时的气氛和压力,在空气或氢气中1200℃便开始分解,超过1650℃则剧烈挥发。其中的Naβ-Al2O3具有层状结构,Na+能在层间(即垂直于C轴的松散堆积平面内)迁移、扩散和离子交换,在层间的方向具有较高的离子导电能力和松弛极化现象,可作为钠硫电池的导电隔膜材料;而在平行于C轴的方向上Na+不能扩散,沿C轴方向很小甚至无离子电导。由于β-Al2O3
8、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-Al2O
