氧化铝陶瓷是以α-Al2O3为主晶结合成的陶瓷产品,其Al2O3的含量一般会在75%以上。人们通常以配料中Al2O3的含量对其进行分类,其中:Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”,因Al2O3烧结温度较低,所以75瓷的成本较其他氧化铝陶瓷低,但因其性能相比不明显,现已基本不再采用了。
Al2O3含量在85%左右的为“85瓷”,在制造85瓷的过程中,常在配料中掺入滑石粉等粉料,以提高陶瓷产品的机械强度与电性能。85瓷常用于制作电真空装置器件。
Al2O3含量在95%左右的为“95瓷”,主要用作耐腐蚀、耐磨部件。
Al2O3含量在99%左右的为“99瓷”,99瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀的优良性能,可用于制作特殊耐火器件、特殊耐磨器件,比如陶瓷轴承、陶瓷炉管、陶瓷坩埚等。
Al2O3含量在99.9％以上的是“高纯型氧化铝陶瓷”,这种陶瓷的烧结温度高达1650℃以上,并具备透射性,可用于制作钠灯管等器件;也可用于制作集成电路基板、高频绝缘材料等电子工业基础器件。
氧化铝陶瓷的制造工序大致可以分为四步：
1、原料制备
氧化铝在地壳中含量非常丰富,在岩石中平均含量为15.34%,是自然界中仅次于SiO2存量的氧化物。应用于陶瓷工业的氧化铝主要有2种,即工业氧化铝和电熔刚玉。
工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿、铝石和高岭土为原料,通过碱法、多采用拜尔法等化学方法处理,除去硅、铁、钛等杂质,制备出氢氧化铝,再经煅烧而制得。工业氧化铝是白色松散的结晶粉末,平均粒径介于40～70μｍ之间,孔隙率大约为30%。
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、析晶出来的晶体,Al2O3的含量可达99%以上,Na2O含量可减少至0.1%～0.3%。电熔刚玉的矿物组成主要是α-Al2O3,属三方柱状晶体,晶体结构中氧离子形成六方较紧密堆积,铝离子则在498个氧离子围成的八面体中心,是氧化铝各种型态中较稳定的晶型。由于α-Al2O3具有熔点高、硬度大、耐化学腐蚀、介电性好等优良特性,用α-Al2O3为原料制备的氧化铝陶瓷材料,其机械性能、高温性能、介电性能及耐化学腐蚀性能都非常优异。
不同的氧化铝陶瓷产品与不同的成型工艺对氧化铝粉料有不同的要求,若制造高纯型氧化铝陶瓷产品,氧化铝粉料的纯度要在99.99%以上,并需要对其进行很细粉碎,使氧化铝颗粒均匀分布。若采用注射成型工艺和挤压成型工艺,氧化铝粉料中还需要掺入粘结剂和可塑剂,以利于成型的操作。若采用半自动或全自动干压成型,则需要对粉料使用喷雾造粒法进行处理,使粉料呈圆球状,以提高粉料的流动性,便于自动充填和成型。
2、成型
氧化铝陶瓷的成型是将氧化铝原料制作成陶瓷坯体的过程,成型的方法较多,有注浆法、注射法、干压法、挤压法、冷等静压法、热压与热等静压成型法等多种方法。不同的形状、尺寸与精度的产品需要不同的成型方法。其中,注浆成型是较早被采用的方法,因该方法主要使用石膏模为模具进行浆料浇注成型,所以使用这种方法制造氧化铝陶瓷成本低,并且可以制作外形复杂以及尺寸较大的产品。注浆成型技术的关键是制备浆料,一般是使用水对氧化铝粉料进行溶解,并加入适量解胶剂、粘结剂,对混合浆料进行充分研磨、排气,较后注入石膏模内。由于石膏模的毛细管会吸附浆料中的水分,浆料会在模内慢慢固化成型。为减少坯体的收缩,应制备和使用高浓度浆料。
干压成型技术可实现氧化铝陶瓷标准化、批量化生产,为氧化铝陶瓷的市场化推广提供了生产基础。但干压成型技术仅能生产形状单纯的标准件,并对制品的规格有限定,即内壁厚度要很过1mm,长度与直径之比小于4∶1。在干压过程中,模具充填时粉体颗粒的均匀分布状况、充填量是否精准对氧化铝陶瓷制品的质量、尺寸、精度等性能的影响很大。经实践,当氧化铝粉体的颗粒介于60～200μm之间可取得较佳成型效果。
3、烧结
烧结是将陶瓷坯体在高温下进行致密,较终形成固体材料的一种技术。当前市场上使用较广泛的装置是电炉。常见的烧结方式有3种:常压烧结、热压烧结和热等静压烧结。其中:热压烧结可以连续生产,提高了氧化铝陶瓷生产的效率和产量,但热压设备的购置成本和模具费用与其他方法相比较高,经济效益不佳。其次,热压烧结需要限制陶瓷制品的尺寸。热等静压烧结是使用高温高压气体对陶瓷坯体进行压缩致密的方法,该方法具有受力、受热均匀的优点,非常适合形状复杂的制品的成型。使用该种方法烧成的陶瓷材料,其性能要比冷压烧结的产品性能提高30%以上,比一般热压烧结产品的性能提高10%以上,因此一些高附加值的产品及特殊的零部件均采用热等静压烧成方法,如陶瓷轴承、反射镜、核燃料及枪管等制品。
4、精加工与封装工序
有些氧化铝陶瓷材料在烧结后需要进一步精加工,比如对产品表面进行抛光或镀膜,以增强其光洁度及力学强度。加工或精加工结束后,一般使用塑料等容器进行封装。
氧化铝陶瓷具有稳定的理化性能和十分优异的机电性能,随着科学技术的发展和制造水平的提高,各种高性能的氧化铝陶瓷新材料、新产品也将不断涌现,但仍有很多指标需改善,有很多特性等待大家共同去研究、开发。同时,对氧化铝陶瓷新材料的研究、开发与应用将是材料科学未来发展的重要分支。