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、92 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. 20SiO2 ≯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- Al2O3 3 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1 200 ℃便开始分解,超过1 650 ℃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 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。
γ- Al2O3 是氧化铝的低温形态,由制备工业氧化铝的中间产物———氢氧化铝经煅烧而得。
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可采用适当的添加剂对γ-Al2O3 进行高温煅烧,使γ- Al2O3 不可逆转的变为α-Al2O3 (950～1 500 ℃> ,此过程伴随着14. 3 %的体积收缩,使用煅烧收缩后得到的α- Al2O3 生产氧化铝陶瓷,有利于产品尺寸的控制和减少产品的开裂。
1. 4 氧化铝原料的应用途径氧化铝除了作为陶瓷原料的主要成分,在陶瓷行业中广泛应用外,在其他行业也有广泛用途。
按氧化铝制备过程的主要产品简单介绍如下:铝矾土→直接用于制备陶瓷、耐火材料等(约含Al2O3 60 %～85 % ,矿物组成以一水硬铝石为主>↓化学法氢氧化铝→用于制备陶瓷色釉料等↓煅烧高级宝石及←工业氧化铝(γ- Al2O3 > →用于制备陶瓷色釉料透明刚玉↓↓铝锭冶炼等电弧炉熔融↓↓煅烧用于制造高级耐火材←电熔刚玉α- Al2O3 →用于制备高料、高硬磨料磨具↓↓级抛光材料↓↓特种刚玉用于制用于制备各种性能备特种陶瓷材料的陶瓷、耐火材料2应用随着科学技术的发展及制造技术的提高,氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用。
1>机械方面。
有耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、衬片,氧化铝陶瓷钉,陶瓷密封件(氧化铝陶瓷球阀> ,黑色氧化铝陶瓷切削刀具,红色氧化铝陶瓷柱塞等。
2> 电子、电力方面。
有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件,电子材料,磁性材料等。
3> 化工方面。
有氧化铝陶瓷化工填料球,氧化铝陶瓷微滤膜,氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。
4>医学方面。
有氧化铝陶瓷人工骨,羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节等。
5>建筑卫生陶瓷方面。
球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石的应用已十分普及,氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料的应用随处可见。
6>其他方面。
各种复合、改性的氧化铝陶瓷如碳纤维增强氧化铝陶瓷,氧化锆增强氧化铝陶瓷等各种增韧氧化铝陶瓷越来越多地应用于高科技领域。
氧化铝陶瓷磨料、高级抛光膏在机械、珠宝加工行业起到越来越重要的作用。
此外氧化铝陶瓷研磨介质在涂料、油漆、化妆品、食品、制药等行业的原材料粉磨和加工方面应用也越来越广泛。
3氧化铝系列产品生产工艺与应用3. 1 产品品种中博(ZOOMBER> 先进材料股份有限公司生产的微晶耐磨耐腐蚀氧化铝材料———氧化铝衬砖、衬板、衬片系列及微晶耐磨氧化铝球系列产品,具有高强度,高硬度,耐磨、耐腐蚀等特性。
主要有以下系列产品: ①耐磨耐腐蚀氧化铝球、衬。
②氧化铝耐磨陶瓷罐。
③化工行业用氧化铝填料球。
④耐磨氧化铝衬板、衬片。
⑤耐磨耐腐蚀氧化铝球阀。
⑥油田用氧化铝缸套。
⑦油田用氧化铝陶瓷旋流器。
⑧各种氧化铝陶瓷材料制品部件。
3. 2 常规产品品种、规格、性能3. 2. 1 氧化铝衬砖常用规格、理化性能(见表2 ,表3>表2 氧化铝衬砖的理化性能90 系列95 系列Al2O3 含量( %>≥90 ≥95Fe2O3 含量( %> ≤0. 20≤0. 20体积密度(gP. > ≥3. 50 ≥3. 55吸水率( %> ≤0. 02 ≤0. 05莫氏硬度9 9表3 氧化铝衬砖的常用规格( mm>代号长(a>宽(b1 > 宽(b2 >厚(h>H40直砖*150 45 40H50直砖*150 50 50H60直砖*150 50 60H70直砖*150 50 70H40直半*150 45 40H50直半*74 50 50H60直半*7450 60H70直半*74 50 70H40薄砖*150 2540H50薄砖*1502550H60薄砖*1502560H70薄砖*1502570H40斜砖150 45 40 40H50斜砖150 50 45 50H60斜砖150 50 45 60H70斜砖150 50 45 70H40斜半74 45 40 40H50斜半74 50 45 50H60斜半74 50 45 60H70斜半74 50 45 70注: 3 为矩形砖。
其他为梯形砖。
3. 2. 2 氧化铝球石规格、性能1> 球石规格等静压球常用的规格有: 直径20、25、30、35、40、45、50、55、60 等,也可按协议生产其他规格。
滚制球常用的规格有:直径2、4、6、8、10、13、15、20、25 等,也可按协议生产其他规格。
2> 球石分类等静压球按不同性能指标分95MQ、90MQ、G90MQ、85MQ、80MQ、75MQ 6 个系列。
滚制球按不同性能指标分92MQ、90MQ、88MQ 3 个系列。
3> 球石性能(见表4 ,表5> 。
表4 等静压球的理化性能95MQ G90MQ 90MQ 85MQ 80MQ 75MQFe2O3 ( %> ≤0. 2 ≤0. 2 ≤0. 2 ≤0. 5 ≤0. 7 ≤0. 9Al2O3 ( %> ≥95≥90≥90 ≥85≥80 ≥75莫氏硬度9 8耐冲击性经耐冲击性、磨耗实验无裂痕、无破碎吸水率( %> ≤0. 02体积密度(gP.>≥3. 60 ≥3. 60 ≥3. 50 ≥3. 40≥3. 20≥3. 10当量磨耗( ‰>≤0. 30≤0. 10≤0. 35≤0. 40≤0. 45 ≤0. 50表5 滚制球的理化性能92MQ 90MQ 88MQFe2O3 ( %>≤0. 2Al2O3 ( %> ≥92 ≥90≥88莫氏硬度9耐冲击性经耐冲击性、磨耗实验无裂痕、无破碎体积密度(gP. > ≥3. 50 ≥3. 45≥3. 40耐磨系数(gP. ·h> ≤0. 80 ≤1. 00 ≤1. 204 结语氧化铝陶瓷具有稳定的理化性能和十分优异的机电性能,近年来在各个领域得到了广泛应用。