氧化铝陶瓷制作工艺简介

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1、氧化铝陶瓷制作工艺简介氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。 高纯型氧化铝陶瓷系A12O3 含量在9 9.9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1 6 5 0 1 9 9 0。， 透射波长为16ym, 般制成熔融玻璃以取代铂坩埚：利用其透光性及可耐 碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。普通型氧化铝陶瓷系按A12O3含量不同分为99瓷、 95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时A12O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系 列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、 耐火炉管及特殊耐磨材料， 如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部

2、件；8 5瓷中由于常掺入局部滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属 封接，有的用作电真空装置器件。其制作工艺如下：一粉体制备： 将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材 料。粉体粒度在1ym ?微米？以下，假设制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在 99.99%外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。 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， ?一般为重量比在1 03 0 %的热塑性塑 胶或树脂 ?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150200。温度下均匀混合，以 利于成型操作。 采用热压工艺成型的粉体原料那么不需参加粘结剂。 假设采用半自动 或全自动干压成型

3、， 对粉体有特别的工艺要求， 需要采用喷雾造粒法对粉体进行 处理、使其呈现圆球状， 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12%的润滑剂？如硬脂酸？及粘结剂PV A。欲干压成型时需对粉体喷雾造粒， 其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。 近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作A12O3喷雾造粒的粘结剂， 在加热 情况下有很好的流动性。 喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、 密度松散，流动 角摩擦温度小于3 0t。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。二成型方法：氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、 注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、 热压与热等静压成型等多种

4、方法。 近几年来国内外又开发出压滤成型、 直接凝固 注模成型、凝胶注成型、 离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。 不同的 产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。 摘其常用成型介 绍：1干压成型：氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过lm 长度与直径之比不大于4：1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液 压式、机械式两种，可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为2 0 0 Mp a。产量每分钟可达155 0件。由于液压式压机冲程压力均匀，故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变 化，易导致烧结后尺寸收缩产生差异， 影响

5、产品质量。 因此干压过程中粉体颗粒 均匀分布对模具充填非常重要。 充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精 度控制影响很大。粉体颗粒以大于6 0 pm、介于6 02 0 0目之间可获最大 自由流动效果，取得最好压力成型效果。2注浆成型法： 注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。 由于采用石膏 模、本钱低且易于成型大尺寸、 外形复杂的部件。 注浆成型的关键是氧化铝浆料 的制备。通常以水为熔剂介质，再参加解胶剂与粘结剂，充分研磨之后排气，然后倒注入石膏模内。 由于石膏模毛细管对水分的吸附， 浆料遂固化在模内。 空心 注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多 余浆料倒出。为减少坯体收缩量、

6、应尽 量使用高浓度浆料。氧化铝陶瓷浆料中还需参加有机添加剂以使料浆颗粒外表形成双电层 使料浆稳定悬浮不沉淀。 此外还需参加乙烯醇、 甲基纤维素、 海藻酸胺等粘结剂 及聚丙烯胺、阿拉伯树胶等分散剂，目的均在于使浆料适宜注浆成型操作。三烧成技术：将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结。 烧结即将坯体 内颗粒间空洞排除，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。烧成使用的加热装置最广泛使用电炉。除了常压烧结 ?即无压烧结 ?外， 还有热压烧结及热等静压烧结等。 连续热压烧结虽然提高产量， 但设备和模具费 用太高，此外由于属轴向受热， 制品长度受到限制。

7、热等静压烧成采用高温高压 气体作压力传递介质，具有各向均匀受热之优点，很适合形状复杂制品的烧结。由于结构均匀，材料性能比冷压烧结提高3 05 0%。比一般热压烧结提高1 015%。因此，目前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、场采用热等静压烧成方法。此外，微波烧结法、 电弧等离子烧结法、 自蔓延烧结技术亦正在开发研 究中。四精加工与封装工序：有些氧化铝陶瓷材料在完成烧结后， 尚需进行精加工。 如可用作人工骨 的制品要求外表有很高的光洁度、 如镜面一样， 以增加润滑性。 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。

8、如SiC,B4C或金刚钻等。通常采用由粗到细磨料逐级磨削，最终外表抛光。一般可采用1卩m ?微米？的人1 2 0 3微粉或金刚钻膏进行研磨抛光。此外激光加工及超声波加 工研磨及抛光的方法亦可采用。有些氧化铝陶瓷零件需与其它材料作封装处理。氧化铝陶瓷的低温烧结技术氧化铝陶瓷是一种以A 1 2 0 3为主要原料，以刚玉a A 1 2 0 3为 主晶相的陶瓷材料。因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘 电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能， 以及原料来源广、 价 格相对廉价、加工制造技术较为成熟等优势，氧化铝陶瓷已被广泛应用于电子、 电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航

9、空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。然而，由于氧化铝熔点高达2050C,导致氧化铝陶 瓷的烧结温度普遍较高 参见表一中标准烧结温度 ，从而使得氧化铝陶瓷的制 造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具， 这在一 定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度， 降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产本钱，一直是企 业所关心和急需解决的重要课题。目前，对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入，从7 5瓷到9 9瓷都有系统的研究，业已取得显著成效。表一是已实现的各类氧化铝陶瓷低 温烧结情况。表中低温烧结氧化铝陶瓷

10、的各项机电性能均到达了相应瓷种的国家标准， 至中铝瓷在某些技术标准上超过高铝瓷的国标， 如中科院上海硅酸盐研究所研制 的1 3 6 0 C烧成的85瓷，其抗弯强度超过99%A12O3陶瓷的国标，各项电性能都优于95%A12O3瓷的国标； A12O3含量分别为90%和9 5%的低温烧结陶瓷，其机电性能都优于95瓷及99瓷的国标。纵观当前各种氧化铝瓷的低温烧结技术， 归纳起来， 主要是从原料加工、 配 方设计和烧成工艺等三方面来采取措施，下面分别加以概述。一、通过提高A12O3粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。与块状物相比， 粉体具有很大的比外表积， 这是外界对粉体做功的结果。 利 用机械作用或化

11、学作用来制备粉体时所消耗的机械能或化学能， 局部将作为外表 能而贮存在粉体中， 此外，在粉体的制备过程中， 又会引起粉粒外表及其内部出 现各种晶格缺陷，使晶格活化。由于这些原因，粉体具有较高的外表自由能。粉体的这种外表能是其烧结的内在动力。 因此，A12O3粉体的颗粒越细，活化程度越高，粉体就越容易烧结，烧结温度越低。在氧化铝瓷低温烧结技术中，使 用高活性易烧结A12O3粉体作原料是重要的手段之一，因而粉体制备技术成为陶瓷低温烧结技术中一个根底环节。目前，制备超细活化易烧结A12O3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A12O3粉体颗粒细化，常用的粉碎工

12、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外表积， 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lpm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A12O3粉体开展较快，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，再经过适宜 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一水解并缩合成含羟基 的三度空间高分子结构一溶胶蒸发

13、脱水成凝胶一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一溶胶蒸发脱水成凝胶一低温煅烧成粉体。3含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶一低温煅烧成粉体。湿化学法制备的A12O3粉体粒径可到达纳米级，粒径 分布范围窄， 化学纯度高， 晶体缺陷多。 因此化学法粉体的外表能与活性比机械 法粉体要高得多。采用这种超细A12O3粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷 的烧结温度可降15 0。一 3 0 0。，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生产的易烧结A12O3粉料理化指标。此外，有专家推荐以下三种超细A12O3粉体制备方法，仅供参考：1将NH4SO

14、4A12SO432H2O 与MgCO34MgO H25H2O混合、加热到1 2 0 0。分解，可获得含有MgO的纯度为9 9%、粒度为020 5um的aA12O3超细粉料。2将无水二醋酸铝加热到1 2 0 0。保温3小时以上，可获得粒度小于05um的aA12O3超细粉体。3铁筒钢球，湿磨数百小时，浆料加热酸洗除铁，浮选，反复屡次，可制取粒度03 05 um的aA12O3超细粉料。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A12O3的含量来决定，A12O3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。比方，在A12O3

15、含量相当时，CaO-A12O3 SiO2系A12O3瓷料比MgO A12O3 SiO2系瓷料的烧 结温度低，对于我国目前大量生产的CaOMgOA12O3SiO2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1606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、TiO 2、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。 因此，在保证瓷体满足产品使用目的和技术要求的前提下， 我们 可以通过配方设计， 选择合理的瓷料系统， 参加适当的助烧添加剂， 使氧化铝陶 瓷的烧结温度尽可能降低。目前配方设计中所参加的各种添加剂， 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A12O3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A12O3生成固 溶体，这类固溶体或为掺入固溶体如Ti4+置换A13 +时，或为有限固 溶体，或为连续固溶体如Cr2O3与A12O3形成的，它们可以活化晶 格TI4+、A13 +离子半径差所致、形成空穴或迁移原子，3TiO2AbO33Tia