氧化铝陶瓷低温常压烧结张全贺051002131摘要：氧化铝陶瓷材料以其优良的性能及较低的制造成本，被广泛应用于国民经济各部门。
随着科学技术的发展，特别是电子、能源、空间技术、汽车工业的发展，对材料的要求越来越苛刻，因此对高纯氧化铝陶瓷尤其是更高纯度的高性能氧化铝陶瓷需求量大为增加。
本课题围绕制各A1203含量>99．8wt％的高纯氧化铝陶瓷进行研究，通过原科粉体预处理工艺、烧结助剂添加工艺、成型优化工艺，从而实现常压下低温烧结高纯高致密氧化铝陶瓷。
本课题中获得的低温烧结试样具有较好的显微结构和较高的机械性能。
原料粉预处理工艺是一种新的氧化铝粉体解团聚方法，具有工艺简单、成本消耗低、粉体处理效果显著的特点，对于粉体解团聚处理工艺的技术进步有一定的促进意义。
在烧结助剂的研究中，本课题MgO为基本考察助剂，Y203、La203、Nd20s、纳米A1203为复合添加助剂，通过相关的选择实验，研究了以上烧结助剂在14500C、1550。
(2、16500C对～203含I>99．8wt％的商纯氧化铝陶瓷的烧结体密度的作用规律。
这一研究的结果，为高纯氧化铝陶瓷的制各提供重要参考数据。
通过高纯超细氧化铝粉料的凝胶浇注成型工艺的研究，优化高纯超细氧化铝粉体的凝胶浇注成型参数，获得了高质量的凝胶浇注成型试样。
以获得的生坯为研究对象，通过对真空烧结工艺参数的分析和工艺试验，在150012温度下，实现了高纯氧化铝陶瓷的低温致密烧结；获得的高纯高致密氧化铝陶瓷密度可达3．979／cm3；烧结体平均晶粒尺寸3～4um；抗弯强度(三点)可达500MPa以上；表面显微硬度可达18．5GPa以上。
关键词：氧化铝陶瓷预处理凝胶成型低温烧结纯1 引言氧化铝陶瓷是指以高纯AI2O3粉末为主要原料，经各种陶瓷工艺制成的晶相晶粒尺寸小于6um并以刚玉为主晶相的氧化铝陶瓷材料，其具有高熔点、高硬度机械性能好、耐蚀、绝缘等优良特性刚玉是自然界中的一种极硬材料，莫氏硬度为9，仅次干金刚石。
刚玉陶瓷的强度非常高。
熔点为2050℃，并且这种高强度在1 000℃以上的高温下仍能保持，还能够长期在高温富氧的条件下使用，远远优于普通的钢和合金钢．刚玉的导热性能非常好，室温下的导热率达29W／m·K，只比钢铁等的热导率稍低，而且高频下的介质损耗低于1 0 ，是最好的高频绝缘材料之一。
微晶氧化铝陶瓷通常分可为高纯型与普通型两种高纯型微晶氧化铝陶瓷指AI2O3含量在99．9％以啊卜的氧化铝陶瓷材料，其烧结温度高达1 650～1 990℃．透射波长在1～6u m范围．利用其透光性及可耐碱金属腐蚀等性能，常用作高压钠灯灯管．普通型微品氧化铝陶瓷按AI2O3含量不同可分为99、95、92、90、85瓷等品种(有137 AI2O3 含量在8O％或75％者也被划为普通氧化铝陶瓷系列)。
其中，99氧化铝陶瓷材料常被用于制作高温坩埚、耐火炉管及其他特殊耐磨材料(如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片)，在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料，化工行业常用于催化剂载体等；95、92、90氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨损材料与耐磨部件；8 5瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与铌、钽等金属封接，用作电真空装置器件等。
2 氧化铝陶瓷性能及应用氧化铝陶瓷具有较高的机械性能、介电性能、以及较好的热性能和化学稳定性能，因此具有广泛的应用领域。
①利用高纯氧化铝陶瓷具有的高硬度，可以作为刀具、模具、钟表轴承、砂轮、磨球、泥沙泵活塞以及装甲等的制备材料；②利用高纯氧化铝陶瓷具有的高频介电损耗小、电绝缘性良好的特性，可以用于IC封装、衬底、火花塞、真空开关外壳、磁控管芯柱及高功率设备和波导装置的射电窗口等；③利用商纯氧化铝陶瓷具有的耐高温性、良好的化学稳定性及透光性，可以用作耐酸泵零件、催化载体、钠光灯管及人工骨生物材料等。
3 氧化铝陶瓷的制备材料制备工艺：微晶氧化铝陶瓷材料的制备工艺可表示如下：原料配料一研磨加工一制粉(制浆、制泥)一成型(半干压、滚制、等静压、注浆-离心注浆、热压铸、挤出)干燥一烧咸一检选(冷加工)—包装入库一出厂原料：作为陶瓷原料主要成分之一的氧化铝在地壳中含量菲常丰富．在岩石中平均含量为1 5 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原料主要有两大类：一类是工业氧化铝，另一类是电熔刚玉。
(1)工业氧化铝：工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿(由铝的氢氧化物，如一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物组成)为原料，通过化学法(主要是碱法，多采用拜尔一一碱石灰法)处理，除去硅、铁、钛等杂质，制备出氢氧化铝经煅烧而制得，其矿物成分绝大部分是y—AI2O3。
工业氧化铝是白色松散的结晶粉末．颗粒是由许多粒径小于0．1 μm的y—AI2O3晶体组成的多孔球形聚集体，其孔隙率约为30％，平均颗粒粒径为40～70 μm，工业化铝粉料的扫描电镜如图1所示。
工业氧化铝的三项主要杂质成分中．Na2O与Fe2O3 会降低氧化铝瓷件的电性能。
Na2O的含量应在O.5％～O.6％，Fe2O3含量应小于O. 04％。
另外，在电真空瓷件中，工业氧化铝中不得含有氯化物、氟化物等．因为它们能侵蚀电真空装置。
工业氧化铝含量的质量标准见表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AI2O3含量可达99％以上，Na2O含量可减少至0.1％一0.3％。
电熔刚玉的矿物组成主要是a—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。
粉料(浆料、泥料)制备：将合格的高温氧化铝粉料，根据产品性能的要求与成型工艺的特点，按配方配料后经研磨设备(球磨机、搅拌磨等)加工至要求细度，制备出合格的坯用粉料、浆料、泥料。
采用半自动或全自动干压成型，对粉体有一定的工艺参数要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理(粉料颗粒呈现圆球状)，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。
此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1％～2％的润滑剂(如硬脂酸铝等)及粘结剂PVA。
喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散、颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。
采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂；有机粘结剂应与氧化铝粉体均匀混合，以利于成型操作。
采用热压铸工艺成型时可不加入粘结剂。
成型：氧化铝陶瓷制品成型方法常采用的有：干压、注浆、挤出、等静压(干法、湿法)、注凝、流延、热压铸、离心注浆等。
不同的产品，因其形状、尺寸、造型复杂与精度各异，需要采用合理的成型方法。
烧成：将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫做烧结。
烧结即将坯体内颗粒问空洞排除．将少量气体及杂质有机物排除，使颗粒之间相互生长结合形成新的物质的方法。
目前除一些高附加值氧化铝陶瓷产品或国防军工需用的特殊零部件，如陶瓷轴承、反射镜、核燃料及枪管等制品采用热等静压烧成方法外，大部分采用普通常压烧结技术。
有些氧化铝陶瓷材料在完成烧结后，尚需进行冷加工。
由于氧化铝陶瓷材料硬度较高，需用更硬的研磨抛光砖材料对其作精加工，如SiC、C或金刚钻等。
通常采用由粗到细磨料逐级磨削，最终表面抛光，一般可采用小于1微米的AI2O3微粉或金刚钻膏进行研磨抛光。
此外激光加工及超声波加工研磨及抛光方法亦可采用，有些氧化铝陶瓷零件还需与其它材料作封装处理。
工艺条件对氧化铝烧结性能和显微结构的影响：氧化铝陶瓷制备环节中的各工艺条件都对它的烧结和显微结构有极大影响。
这些制备环节包括：粉体的制备过程、粒径与粒度分布、成型方法、生坯密度、烧结温度、升温速率、保温时间、烧成气氛、是否加压等。
4 高纯A1203粉料研究高纯A12O3粉料制备及粉体团聚理论高纯JM203粉料的制备方法分为二大类‘141，一类是物理法，另一类是化学法。
物理制备方法有蒸发冷凝法、高能机械球磨法等；化学法有化学气相法、湿化学法等。
近年来‘闱，采用湿化学法制造超细高纯A1203粉体发展较快，制备的A12伤粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围较窄，化学纯度及烧结活性较高。
本课题使用的原料粉即是采用湿化学法制备的。
由于超细A1203粉体晶粒尺寸小、比表面积和表面能高，因此粉体间相互作用力和表面活性较大，粉体团聚较易发生．目前，粉体的团聚分为软团聚和硬团聚两种。
软团聚是指随着颗粒尺寸的减小，颗粒之间的静电吸引力、范德华力、毛细管力等较弱的相互作用力越来越凸显，从而引起颗粒之间的聚集。
这种因物理作用而形成的软团聚可以用机械方法使之打开，而硬团聚就比较困难。
因此，硬团聚是影响粉体性能的关键因素。
目前，硬团聚的形成机理主要有晶桥理论、氢键理论、毛细管理论和化学键理论等。
晶桥理论的观点是:湿凝胶在干燥过程中，毛细管吸附力使颗粒相互靠近，颗粒之间由于表面羟基和溶解—沉淀形成晶桥而变得更加紧密，随着时问的推移，这些晶桥相互结合，从而形成较大的块状聚集体。
5 高纯A1203粉体解团聚粉体中强的团聚体的存在会导致坯堆积密度低和形态不均匀。
素坯的不均匀不仅造成烧结体的结构瑕庇，而且还会使所需的烧结温度提高。
这是由于生坯中的团聚体明显提高了粉体的烧结激活能。
有资料显示，对于一次颗粒粒径约10nm的a．A1203纳米粉，团聚强度为76MPa 时，烧结激活能为328KJ／mol；团聚强度为234MPa时，烧结激活能为445KJ/mol。
硬团聚粉体的初期烧结激活能明显高于软团聚粉体。
其原因是软团聚纳米粉坯体的初期烧结基本是在一次颗粒间进行，由于颗粒半径相当小，颗粒问扩散距离缩短，因而仅需较低的烧结度和烧结激活能，且粉末的粒径越小需要的活化能越低；对于硬团聚粉体，团聚体内部的颗粒通常在低于初期烧结温度时已产生烧结，并形成具有较高密度的“大颗粒”，样品的收缩是通过这种大颗粒之间的烧结实现的，这增加了扩散传质的距离，因而需要较高的激活能。
因此，团聚体的尺寸决定了烧成晶粒的尺寸，粉体解团聚的效果直接影响了烧结体的性能。
在本课题研究中，原料预处理工艺主要就是原料粉体解团聚的过程。
团聚体的抑制可在粉体制备过程中、或制备后进行。
在团聚体形成后消除的方法主要有机械法、超声波法、物理化学法、沉积或沉降法、高负压法。
(1)机械法解团聚，主要是依靠机械外力将原料粉体进行研磨，从而将粉体中的团聚体破碎，以达到解团聚的目的。
此方法的解团聚效率较低且易混入杂质。
(2)超声波法解团聚，是指适当调节超声波频率使团聚体发生共振，从而将粉体中的团聚体破碎，以达到解团聚的目的。