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制备高致密度氧化铝陶瓷的各种要点
2020年08月03日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:585
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氧化铝陶瓷原料成本低、性能优良,是现代工程技术中应用最为广泛的陶瓷之一从亲民的日常厨具到高端的航天科技都能看见它的身影。但尽管都是氧化铝陶瓷,不同应用还是会有不同要求的——比如说在电子陶瓷中99瓷以及97瓷主要用作集成电路基片,由于集成电路必须具有高度平坦光滑的平面为了保证基片经仔细抛光后具有极高的表面光洁度,基片本身必须充分致密,而且应保证晶粒细小,晶粒结合性能才能良好。

氧化铝基片

高致密性带来的好处还有很多,比如说晶粒排列紧密,就能更好地承受外界的载荷或腐蚀性物质的浸蚀,不易形成破坏性的突破点。不过要获得足够致密的氧化铝陶瓷并没有那么简单。由于陶瓷材料性能很大程度上与制造工艺手段关系密切,因此必须要控制好生产条件才能得到满意的成果。具体需要注意哪些地方,下面便来看一看。

原料的选择

选择陶瓷粉体时,要特别注意纯度。虽然有机杂质在烧结过程中会被烧掉,但却会在致密化的过程中将形成不规则的孔洞;而无机杂质则有可能在高温阶段与陶瓷粉体起反应或残留在基体中形成微裂纹。这些微结构上的缺陷势都会对氧化铝陶瓷的致密化有明显影响。因此,采用高纯度Al2O3粉末是制备性能优良的氧化铝陶瓷的重要前提条件。

原料成分的均匀性

为了降低陶瓷体的烧结温度,粉料在烧结前要添加适当的添加剂,因此混料的质量也是影响陶瓷烧结体的重要因素。如果混不均匀,局部成分就会偏离整体配比,出现局部添加剂较少,氧化铝在低温难以烧结,而添加剂多的地方熔点较低,易出现液相,晶粒急速生长,最终导致制品的显微结构不均匀,致密度不高的后果。

原料粒度

一般原料颗粒越细,烧结时间就越短。这是因为颗粒越细,它们之间的接触越紧密,烧结时扩散路径较短,同时烧结驱动力-表面能也越大。但是过细也不行,因为颗粒表面活性过高可能会吸附杂质造成粉料的不纯净,同时还会导致成型比较困难。所以生产高致密陶瓷选取的粉料一般都是0.1um~1um粒径范围的。

氧化铝坯体的成形

高致密度的获得在很大程度上受到成型压力的影响。为了保证致密度较高,一般成型压力较大。目前高性能氧化铝陶瓷成型方法主要有等静压法、注浆法、热压注法、挤压法、压延法等。

氧化铝陶瓷的烧结

烧结是陶瓷制备的关键阶段。由于Al2O3化学键的牢固性使得烧结要在很高的温度下(一般为1800℃)进行才能实现。但即使是高温下的普通烧结,烧结体的烧结性能也总不能达到人们的要求。为了降低生产成本,实现氧化铝陶瓷的致密化烧结,提高烧成体的性能,生产中均采用特殊的烧结手段,目前常用的烧结方法有热压烧结、气氛烧结、真空热压烧结等。

烧结助剂对氧化铝烧结的影响

由于Al2O3原子间化学键是共价键和离子键,键合能较大,所以烧结时传质较为困难。如果不掺杂任何烧结助剂,那氧化铝的烧结温度将高达1800℃,在如此高的烧结温度下,将促使晶粒长大,气孔难以排除,导致材料力学性能降低,气密性变差。不仅增加了陶瓷的制备成本,而且达不到技术要求。

所以一般会在Al2O3中添加适当的烧结助剂来降低烧结温度,改善陶瓷微观结构组织,实现高致密度和低气孔率以求提高其强韧性,进而达到在较低温度下获得性能优良陶瓷的目的。添加剂一般可分为两类:一是与Al2O3生成固溶体,一般为变价氧化物,主要有TiO2、Cr2O3、Fe2O3与MnO2等;二是能生成液相,降低烧成温度而促进Al2O3的烧结,主要有高岭土、SiO2、CaO、MgO等。

资料来源:

烧结工艺及烧结助剂对氧化铝陶瓷性能的影响,郑黎明。

粉体圈 小榆整理

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