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氧化鋁陶瓷低溫燒結分析

日期: 2020-10-13
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氧化鋁陶瓷是以氧化鋁為主要原料,剛玉為主要晶相的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷具有良好的導電性、機械強度和耐高溫性能。它廣泛應用于電子、電氣、機械、紡織、航空航天等領域。這也確立了其在陶瓷材料領域的崇高地位。由于氧化鋁的熔點高達2000多度,所以氧化鋁陶瓷的燒結溫度普遍較高,這使得氧化鋁陶瓷的生產需要使用高溫加熱元件或高品質的燃料和先進的耐火材料作為窯爐和窯具,這在一定程度上限制了其生產和廣泛應用。


因此,降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度,降低能耗,縮短燒結周期,減少窯爐和窯具的損耗,從而降低生產成本,一直是企業關注和迫切需要解決的重要問題。從目前各種氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術來看,主要從原料加工、配方設計和燒結工藝三個方面采取措施。


一、通過提高氧化鋁粉體的細度與活性降低瓷體燒結溫度


與塊狀物相比,粉末具有大的比表面積,這是外部作用于粉末的結果。通過機械或化學作用制備粉末時消耗的部分機械能或化學能將作為表面能儲存在粉末中。此外,在粉末的制備過程中,粉末的表面和內部會出現各種晶格缺陷,從而激活晶格。


目前,超細活性易燒結氧化鋁粉體的制備方法分為兩類,一類是機械法,另一類是化學法。機械法是利用機械外力來細化氧化鋁粉末顆粒。常用的研磨工藝包括球磨、振動研磨、砂磨、氣流研磨等。雖然通過機械粉碎來增加粉末的比表面積是有效的,但是它有一定的限制,通常只有粉末的扁平均粒度可以減小到大約1m或更小,并且它具有粒度分布范圍寬和容易引入雜質的缺點。


目前化學法大致有以下3種工藝流程:


⑴形成金屬氧有機配合物溶膠水解縮合合成含羥基的三維聚合物結構溶膠蒸發脫水成凝膠低溫煅燒得到活性氧化物粉末。


⑵將含有不同金屬離子的酸式鹽溶液和有機膠混合形成溶液;溶膠蒸發脫水形成凝膠;低溫煅燒形成粉末


⑶將含有不同金屬離子的溶膠直接淬火、沉積或加熱成凝膠,然后在低溫下煅燒成粉末。

氧化鋁陶瓷低溫燒結分析

二、通過瓷料配方設計摻雜降低瓷體燒結溫度


氧化鋁陶瓷的燒結溫度主要取決于其化學成分中氧化鋁的含量。氧化鋁含量越高,陶瓷材料的燒結溫度越高。此外,它還與陶瓷材料的成分體系、各成分的比例以及添加劑的種類有關。目前,配方設計中添加的各種添加劑根據其促進氧化鋁陶瓷燒結的不同作用機理可分為兩類,即形成新相或固溶體的添加劑和形成液相的添加劑。


1、與氧化鋁形成新相或固溶體的添加劑。


這些添加劑是一些接近氧化鋁晶格常數的氧化物,如氧化鈦、氧化鐵、氧化錳等。在燒結過程中,這些添加劑會與氧化鋁形成固溶體。


這種添加劑在促進氧化鋁陶瓷燒結方面具有一定的規律性:能與氧化鋁形成有限固溶體的添加劑比形成連續固溶體的添加劑具有更大的冷卻效果;(2)添加劑,如變價離子,比定價添加劑有更大的影響;(3)陽離子電荷越多、電價越高的添加劑冷卻效果越好。


2、在燒制過程中形成液相的添加劑。


這類添加劑的化學成分主要有氧化硅、氧化鈣、氧化鎂等,它們能與其它成分在燒成過程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成溫度低,因而大大地降低了氧化鋁瓷的燒結溫度。


三、采用特殊燒成工藝降低瓷體燒結溫度


采用熱壓燒結工藝,在對坯體加熱的同時進行加壓,那么燒結不僅是通過擴散傳質來完成,此時塑性流動起了重要作用,坯體的燒結溫度將比常壓燒結低很多,因此熱壓燒結是降低氧化鋁陶瓷燒結溫度的重要技術之一。


在生產實踐中,為了獲得最佳的綜合經濟效益,上述低燃燒技術常常相互結合使用。與其他方法相比,添加輔助燃燒添加劑的方法具有成本低、效果好、工藝簡單實用的特點。此外,從材料角度來看,通過摻雜改性技術,氧化鋁陶瓷的各種力學和電學性能都得到了很大提高,用低氧化鋁含量的陶瓷體代替高氧化鋁含量的陶瓷體,這也是企業降低氧化鋁陶瓷制品燒結溫度常用的有效技術手段。


氧化鋁陶瓷作為先進陶瓷中應用最廣泛的材料之一,隨著整個工業的發展,呈現出技術裝備水平快速提高、產品質量不斷提高、工業規模由小到大、產品質量由低到高的趨勢。從氧化鋁陶瓷的應用來看,應用范圍越來越廣,用量也越來越大,尤其是在耐磨工程和建筑陶瓷生產中,用量的增加會更加顯著。

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