无机非金属材料工艺学无机非金属材料工艺学第三次作业班级：材料科学与工程2班（非金属）姓名：伍洋婷学号：2012111010762015年4月7日氧化铝陶瓷生产技术工艺简介氧化铝陶瓷的低温烧结技术氧化铝陶瓷是一种以Ａｌ２Ｏ３为主要原料，以刚玉（α—Ａｌ２Ｏ３）为主晶相的陶瓷材料。
一、通过提高Ａｌ２Ｏ３粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。
目前，制备超细活化易烧结Ａｌ２Ｏ３粉体的方法分为二大类，一类是机械法，另一类是化学法。
机械法是用机械外力作用使Ａｌ２Ｏ３粉体颗粒细化，常用的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。
通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积，尽管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒径小至１μｍ左右或更细一点，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的缺点。
近年来，采用湿化学法制造超细高纯Ａｌ２Ｏ３粉体发展较快，其中较为成熟的是溶胶—凝胶法。
由于溶胶高度稳定，因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中，通过进一步脱水形成均匀的凝胶（无定形体），再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。
目前此法大致有以下３种工艺流程。
（１）形成金属氧有机基络合物溶胶→水解并缩合成含羟基的三度空间高分子结构→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成活性氧化物粉料。
（２）含有不同金属离子的酸盐溶液和有机胶混合成溶液→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成粉体。
（３）含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶→低温煅烧成粉体。
湿化学法制备的Ａｌ２Ｏ３粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围窄，化学纯度高，晶体缺陷多。
因此化学法粉体的表面能与活性比机械法粉体要高得多。
采用这种超细Ａｌ２Ｏ３粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度（可降１５０℃—３００℃），而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。
表二是日本住友化学有限公司生产的易烧结Ａｌ２Ｏ３粉料理化指标。
二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中Ａｌ２Ｏ３的含量来决定，Ａｌ２Ｏ３含量越高，瓷料的烧结温度越高，除此之外，还与瓷料组成系统、各组成配比以及添加物种类有关。
比如，在Ａｌ２Ｏ３含量相当时，ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系Ａｌ２Ｏ３瓷料比ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系瓷料的烧结温度低，对于我国目前大量生产的ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系统瓷料而言，为使其具有较低的烧结温度与良好性能，应控制其ＳｉＯ２／ＣａＯ处于1６～0６之内，ＭｇＯ含量不超过熔剂类氧化物总量的１／３，同时，在配方中引入少量的Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ2、Ｔａ２Ｏ３等氧化物能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。
目前配方设计中所加入的各种添加剂，根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同，可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。
１、与Ａｌ２Ｏ３形成新相或固溶体的添加剂。
这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物，如ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ２等，在烧成中，这些添加物能与Ａｌ２Ｏ３生成固溶体，这类固溶体或为掺入固溶体（如Ｔｉ4+置换Ａｌ３＋时），或为有限固溶体，或为连续固溶体（如Ｃｒ２Ｏ３与形成的Ａｌ２Ｏ３），它们可以活化晶格（ＴＩ４＋、Ａｌ３＋离子半径差所致）、形成空穴或迁移原子，（３ＴｉＯ２ＡｂＯ３３Ｔｉａ１＋Ｖａ１＋６０）以及使晶格产生变形，这些作用使得Ａｌ２Ｏ３陶瓷易于重结晶而烧结。
例如添加０５～１０％的ＴｉＯ２时，可使瓷体的烧结温度下降１５０—２００℃。
以固相烧结方式为主的高铝瓷常采用这类添加剂，例如某黑色氧化铝陶瓷配方如下（ｗｔ％）：Ａｌ２Ｏ３９１、ＣｏＯ０５、ＭｎＯ２７、Ｃｒ２Ｏ３２１、ＳｉＯ２０４、ＴｉＯ２２０、Ｖ２Ｏ３０３，该瓷料在１３５０℃下保温２小时烧成。
这类添加剂促进氧化铝瓷烧结的作用具有一定的规律性：①能与Ａｌ２Ｏ３形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温作用更大；②可变价离子一类添加剂比不变价的添加剂的作用大；③阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。
需要注意的是，由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的（重结晶烧结），故晶体内的气孔较难填充，气密性较差，因而电气性能下降较多，在配方设计时要加以考虑。
２、烧成中形成液相的添加剂。
这类添加剂的化学成分主要有ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等，它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。
由于液相的生成温度低，因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。
当有相当量（约１２％）的液相出现，固体颗粒在液相中有一定的溶解度及固相颗粒能被液相润湿时，其促进烧结作用也更显著。
其作用机理在于液相对固相表面的润湿力及表面张力，两者使得固相颗粒靠近并填充气孔。
此外，烧结过程中因细小有缺陷的晶体表面活性大，故在液相中的溶解度要比大晶体的大得多。
这样，烧结过程中小晶体不断长大，气孔减小，出现重结晶。
为了防止因重结晶使晶粒过分长大，影响陶瓷的机械性能，在配方设计中需考虑选用一些对晶粒增大无影响甚至能抑制晶粒增大的添加物，如ＭｇＯ、ＣｕＯ和ＮｉＯ等。
目前，在液相烧结的Ａｌ２Ｏ３瓷料配方中，助烧添加剂可以采用以下３种物料形态来加入。
①以天然矿物形态加入。
这类矿物原料主要有：高岭土、膨润土等粘土矿。
石英、滑石、菱镁矿、白云石、方解石等等，它们分别引入ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ等化学成分。
配方中高岭土及其它粘土矿物的使用，除了满足瓷体化学组成要求外，更主要可以改善坯料的成型性能。
添加剂的这种加入形式适用于Ａｌ２Ｏ３含量在９０％以下的中铝瓷配料，例如某低温烧结７５瓷配方如下（ｗｔ％）：煅烧Ａｌ２Ｏ３６５、高岭土２４、膨润土２、ＢａＣＯ３４、方解石３、生滑石２。
②、以人工合成添加剂形态加入。
此法是在ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２等三元、四元或其它相图中找到最低共溶物的组成点，预先按组成点的成分将ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等所需化合物进行第一次配料，经球磨、煅烧成为低共熔物，即“人工合成添加剂”，然后按一定配比将人工合成添加剂与Ａｌ２Ｏ３粉料进行第二次配料，以满足氧化铝陶瓷化学组成和性能要求。
此法纯度高，主要用于降低化学组成准确、性能要求高的高铝瓷烧结温度，缺点是工艺复杂，能耗高，制品成本高，只在特殊情况下采用。
③以化工原料形态加入。
在配料时，直接将各种化工原料作为添加剂与Ａｌ２Ｏ３粉体一起一次完成配料，各助烧添加剂的组成比例仍然是参照专业相图中最低共熔点的组成来设定。
生产实践证明，此法不仅与人工合成添加剂法具有同样的降温效果，而且大大简化了工艺，无论配方设计、配料计算和工艺过程都比人工合成添加剂法简便，也比天然矿物形态更容易，瓷质性能稳定，节能效益显著。
在实际生产中，从降低成本和坯料成型性能方面考虑，天然矿物原料和化工原料往往是同时使用的。
例如某低温烧成（１５００℃×２ｈ）的高铝瓷配方如下（ｗｔ％）；α－Ａｌ２Ｏ３９３、苏州土３、烧骨石２、ＣａＣＯ３１５、ＢａＣＯ３０５、外加ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３２％。
三、采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度采用热压烧结工艺，在对坯体加热的同时进行加压，那么烧结不仅是通过扩散传质来完成，此时塑性流动起了重要作用，坯体的烧结温度将比常压烧结低很多，因此热压烧结是降低Ａｌ２Ｏ３陶瓷烧结温度的重要技术之一。
目前热压烧结法中有压力烧结法和高温等静压烧结法（ＨＩＰ）二种。
ＨＩＰ法可使坯体受到各向同性的压力，陶瓷的显微结构比压力烧结法更加均匀。
就氧化铝瓷而言，如果常压下普通烧结必须烧至１８００℃以上的高温，热压２０ＭＰａ烧结，在１０００℃左右的较低温度下就已致密化了。
热压烧结技术不仅显著降低氧化铝瓷的烧结温度，而且能较好地抑制晶粒长大，能够获得致密的微晶高强的氧化铝陶瓷，特别适合透明氧化铝陶瓷和微晶刚玉瓷的烧结。
此外，由于氧化铝的烧结过程与阴离子的扩散速率有关，而还原气氛有利于阴离子空位的增加，可促进烧结的进行。
因此，真空烧结、氢气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。
在生产实践中，为获得最佳综合经济效益，上述低烧技术往往相互配合使用，其中加入助烧添加剂的方法相对其它方法而言，具有成本低、效果好、工艺简便实用的特点。
在中铝瓷、高铝瓷和刚玉瓷的生产中被广泛使用。
另外，从材料角度来看，通过掺杂改性技术，大幅度提高氧化铝陶瓷的各项机电性能，用Ａｌ２Ｏ３含量低的瓷体代替Ａｌ２Ｏ３含量高的瓷体，也是企业常用的降低氧化铝陶瓷产品烧结温度的有效技术手段。
比如在材料性能满足产品使用要求下，用８５瓷代替９０瓷或９５瓷，用９０瓷、９５瓷代替９９瓷等都是可行的。
二、工艺陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。
只是塑料内混合大量的陶瓷粉末。
为了改进注塑成形条件，必须选择与使用原料匹配的有机材料，并要选定添加量。
为了获得致密又均匀的注塑成形体，陶瓷粉末的浓度要高些。
但过高将使成形性能变差。
为改进混炼坯料的流动性，应降低分散剂高分子系的粘度。
作为前处理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性，为了提高高分子的流动性，需添加适当的增塑剂和润滑剂。
陶瓷原料的粒度一般为1μm，加入粘结剂(或称为添加剂)，经充分混合、搅拌。
在搅拌过程中，陶瓷粉末被粘结剂润湿和包复，全部成为均匀的复合物才可进行注射成形。
且需要冷却、干燥、粉碎后，才获得适合注射成形机漏斗进料的颗粒。
整个工艺中应注意和掌握的技术问题有以下四个方面。
1、原料的流动性注射成形所用的陶瓷颗粒一般由80-90％(重要比，下同)的粉末和10～20％的粘结剂组成。
粘结剂在脱脂工序中去掉，因此添加量以最低限度为宜，但应注意若添加量不足会影响成形效果。
此外，陶瓷颗粒的流动性在粒度越小、形状越偏离球形时越差。
因此，应用尽可能简便的方法对流动性进行测试。
2、成形条件产生的缺陷成形条件如果不正确，会产生各种缺陷。
其中最关键的是熔焊线条，若成形体带有通孔或盲孔，则容易出现这种缺陷。
因此，必需注意模具的设计，特别是开口的类型、位置、大小及个数。
同时应注意注射成形的注射温度和速度间的平衡。
此外，为了避免发生表面粗糙、裂纹、长条痕、变形等缺陷。
在成形困难的情况下，可在注射成形机中装设自适应控制器，进行细微的控制。
3、脱脂本工序又称去掉粘结剂，通常升温速度为3~5℃/b，约进行5～10日，但在0.5MPa 压力的保护气氛下进行时，40小时可结束脱脂。
4、烧结热工等参数可根据陶瓷的种类而定。
烧结中的线收缩率约为15-20％，形状比较复杂或壁较厚的工作，容易在烧结中产生裂纹，应注意防止。
三、添加剂这是注射成形技术中最重要的问题之一。