氧化铝陶瓷简介 氧化铝陶瓷具有机械强度高, 绝缘电阻大, 硬度高, 耐磨、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能, 其广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子等各个行业, 是目前氧化物陶瓷中用途较广、产销量较大的陶瓷新材料。 通常氧化铝陶瓷分为2大类, 一类是高铝瓷, 另一类是刚玉瓷。高铝瓷是以Al2O3和SiO2为主要成分的陶瓷, 其中Al2O3的含量在45%以上, 随着Al2O3含量的增多, 高铝瓷的各项性能指标都有所提高;由于瓷坯中主晶相的不同, 又分为刚玉瓷、刚玉—莫来石瓷、莫来石瓷等。根据Al2O3含量的不同, 习惯上又称为75瓷、80瓷、85瓷、90瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。
作为陶瓷原料主要成分之一的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。一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有2大类, 一类是工业氧化铝, 另一类是电熔刚玉。
1、工业氧化铝
工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿 (主要矿物组成为铝的氢氧化物, 如一水硬铝石 (xAl2O3·H2O) 、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物组成) 和高岭土为原料, 通过化学法 (主要是碱法, 多采用拜尔法——碱石灰法) 处理, 除去硅、铁、钛等杂质制备出氢氧化铝, 再经煅烧而制得, 其矿物成分绝大部分是γ-Al2O3。 工业氧化铝是白色松散的结晶粉末, 颗粒是由许多粒径<0.1 μm的γ-Al2O3晶体组成的多孔球形聚集体, 其孔隙率约为30%, 平均粒径为40～70 μm。
工业氧化铝的3项主要杂质成分中, Na2O及Fe2O3将降低氧化铝瓷件的电性能, Na2O的含量应<0.5%～0.6%, Fe2O3含量应<0.04%。另外, 在电真空瓷件中, 工业氧化铝不得含有氯化物、氟化物等, 因为它们能侵蚀电真空装置。
2、电熔刚玉
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, 缓慢冷却使晶体析晶出来, 其Al2O3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, 纯正的电熔刚玉呈白色, 称为白刚玉;熔制时加入氧化铬, 可制成红色的铬刚玉;加入氧化锆时可制成锆刚玉;电熔刚玉中含有TiO2则称钛刚玉。这一系列的电熔刚玉由于熔点高、硬度大, 是制造高级耐火材料、高硬磨料磨具的优质原料 (刚玉熔点为2 050 ℃, 莫氏硬度为10) 。
氧化铝瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa。氧化铝陶瓷的莫氏硬度可达到9，加上具有优良的抗磨损性能等，所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等，其中以氧化铝陶瓷刀具和工业用阀应用较广。
1、纯氧化铝陶瓷刀具
氧化铝陶瓷刀具的较佳切削速度比一般的硬质合金刀具高，可大幅提高对不同材料的切削效率。随着科学工作者的大量研究，添加其它成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的氧化铝基复合陶瓷和晶须增强陶瓷中。这些技术弥补了纯氧化铝陶瓷的不足，从而提高了它的切削性能和耐用度。
2、复合氧化铝陶瓷刀具
氧化铝-碳化物陶瓷刀具，是在氧化铝中添加一定的碳化物，以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等。由于添加了金属，提高了氧化铝与碳化物的连接强度，改善了使用性能，此类陶瓷刀具适合于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料等。
3、增韧氧化铝陶瓷刀具
增韧氧化铝陶瓷刀具是指在氧化铝基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有：ZrO2相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。
在电子、电力方面，有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等，其中以氧化铝透明陶瓷和基片应用较广。
1、氧化铝透明陶瓷
当前透明陶瓷是材料领域研究和应用的重要前沿方向。透明陶瓷作为一种新兴材料，除了本身具有宽范围的透光性外，还具有高热导率、低电导率、高硬度、高强度、低介电常数和介电损耗、耐磨性和耐腐蚀性好等一系列优点。
2、氧化铝陶瓷基片
氧化铝陶瓷基片具有机械强度高、绝缘性好、避光性高等优良性能，广泛用于多层布线陶瓷基片、电子封装及高密度封装基片。
在化工应用方面，氧化铝陶瓷也有较广泛的用途，如氧化铝陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等，其中以氧化铝陶瓷膜和涂层的研究和应用较多。
在医学方面，氧化铝更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。
优点：氧化铝陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性，是制备人造骨和人造关节的理想材料。
缺点：脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等。
在建筑卫生陶瓷方面，产品随处可见，如氧化铝陶瓷衬砖、研磨介质、辊棒、陶瓷保护管以及氧化铝质耐火材料等。其中以氧化铝球磨介质应用较广。
氧化铝陶瓷是目前新材料中研究较多、应用较广的材料之一，除了以上的几种应用外，它还广泛应用于其它一些高科技领域，如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域。
氧化铝陶瓷的制备会经历较多生产工序，在过程中物料与机械、设备、工具、器皿、环境接触机会较多，因此，出现污染及瓷件质量问题的因素也较多。一般情况下，氧化铝陶瓷烧成后常见的有关颜色的质量问题有：
（1）瓷件表面有斑点，如黑点、棕点、红点；
（2）瓷件表面产生斑块，如暗斑(阴斑)，黑色云斑、亮斑等；
（3）瓷件有色差现象，如整体发黄或发灰；
（4）瓷件呈现淡黄色。
下面我们就针对上述问题一一来分析。
有些氧化铝陶瓷制品表面会有黑色、褐色、棕色和粉红色斑点，仔细观察内部也有，一般比较明显，采集样品分析也比较容易，可用电镜、能谱分析或化学分析，一般定性分析即可。产生黑色、棕色和褐色斑点的主要杂质成分为Fe，粉红色斑点的主要杂质为Fe，Cr、Ni。通过分析斑点成分和追踪生产工艺和生产过程，可以初步判定黑色、棕色、褐色斑点主要在原料及陶瓷生产过程中混入机械铁粒子造成。而粉红色斑点从成分分析可以判断是由不锈钢材料的细小颗粒造成。机械杂质混入主要有两方面：一是原料；二是生产过程。
解决方案
在模压成型时要注意：
原料：尽量选择质量好含铁低的原料，必要时进行磁选除铁。
研磨：掉砖，注意观察球磨机衬砖是否脱落，并及时修补。
造粒：料浆输送加装磁选除铁，热风炉、热风过滤以避免热风系统铁锈进入物料。造粒粉在较终产品包装前进行磁选除铁。
管道：所有输送管道尽可能加衬聚氨酯。
有些氧化铝陶瓷制品在生产过程中会有暗斑，这种暗斑常常出现在管状瓷件或比较厚，面积比较大的瓷件上，尤其是以造粒，等静压成型工艺的比较常见。暗斑一般隐藏在瓷件内部，要在灯光照射下才能发现，严重的瓷件表面也会出现。
暗斑形成的原因与陶瓷配方、生产过程和生产工艺都有关系。
解决方案
要根据生产现场的具体情况来分析，基本措施如下：
（1）制定合理的烧成曲线，在瓷件的烧成过程中要有足够的排胶温度和时间；
（2）加强窑炉的排风，保持适当氧化气氛；
（3）在烧成温度范围内尽量提高烧成温度，或者适度延长高温段停留时间。
氧化铝陶瓷(95、99瓷)薄片状瓷件，特别是流延法生产工艺的基板，有时会产生亮斑，大小在1-2mm，在灯光照射下更加明显。 通过100倍以上的显微镜观察可发现，亮斑处为瓷件表面呈凹陷状。由于凹陷处较薄造成透光率大，产生亮斑。观察凹陷形状和结构，应该是机械损伤造成，如流延法成型时，基板坯体与基带粘连或其它原因造成的机械损伤。这种情况要注意在坯体生产和存放及搬移过程中避免机械损伤。
氧化铝95瓷一般为白色，由于配方不同白度略有差别。但有时在生产过程中会发现有些瓷件呈现发灰的现象，此现象一般是整批出现，单独看不出来，只有和正常瓷件放在一起对比观察才能发现。另外，瓷件的电性能、机械性能均无明显差异，一般情况下并不影响用户使用，但由于产品批次之间对比有色差，往往用户会产生疑问，影响产品销售。这个问题主要是生产过程中引入的杂质污染造成。
解决措施
（1）调整改进研磨工艺，选择磨耗较低的研磨介质，找出较佳研磨条件，如料球比、研磨时间、磨机工作参数等降低瓷球和瓷衬的磨耗，减少研磨过程杂质的引入；
（2）热压铸成型时，定期更换排蜡粉并选用专用排蜡粉，避免在排蜡过程中污染瓷件坯体。
正常情况下，氧化铝陶瓷瓷烧成后为白色，但有些却呈现出淡淡的黄色，随着氧化铝含量越高及瓷件的致密性越高，这种现象越明显。而且经过日光照射后会变色，与没有照射的瓷件比较略显黄色，并有随着照射时间的增加，颜色愈深。
这种情况可能是以下几个原因造成的：
（1）阳光照射之后，其内部的成分发生的变化，而这种变化又是不可逆的，因此颜色也会有所改变。
（2）可能是氧化铝陶瓷发生了潮解，从而产生了水合氧化铝。其实不仅是陶瓷产品有这种特性，其他材料也会有，所以我们也只能通过尽量减少外界因素的影响来克服氧化铝精密陶瓷变色的现象。
（3）高氧化铝含量的99以上陶瓷以固相烧结为主，烧结助剂固熔到氧化物晶体并富集在晶界上，导致晶体纯度下降，呈现出以黄为基调的颜色，并且由于表面晶格缺陷等原因导致表面处于亚稳定状态，易于吸附各种微细的物质，呈现变色。