氧化鋁陶瓷是以α-Al2O3為主(zhu)晶(jing)結(jie)合成(cheng)的陶(tao)瓷產品(pin),其Al2O3的含(han)(han)量一般會在(zai)75%以上。人們通常以配料中(zhong)Al2O3的含(han)(han)量對其進行分類,其中(zhong):Al2O3的含(han)(han)量在(zai)75%左右的是“75瓷”,因(yin)(yin)Al2O3燒結(jie)溫度較低(di),所以75瓷的成(cheng)本較其他氧化(hua)鋁陶(tao)瓷低(di),但因(yin)(yin)其性能相(xiang)比不(bu)明顯(xian),現已基本不(bu)再采用(yong)了。
Al2O3含量在(zai)(zai)85%左右的為“85瓷”,在(zai)(zai)制造85瓷的過程中,常在(zai)(zai)配料(liao)中摻入滑(hua)石(shi)粉等(deng)粉料(liao),以(yi)提高陶瓷產品的機械強度與電性能。85瓷常用于制作(zuo)電真空裝置器件。
Al2O3含(han)量在95%左右的(de)為“95瓷”,主要用(yong)作(zuo)耐(nai)腐蝕(shi)、耐(nai)磨部件。
Al2O3含量在99%左右的為“99瓷(ci)”,99瓷(ci)具有耐(nai)(nai)高(gao)溫(wen)、耐(nai)(nai)磨(mo)、耐(nai)(nai)腐(fu)蝕的優(you)良(liang)性(xing)能,可(ke)用(yong)于(yu)制(zhi)作特殊(shu)耐(nai)(nai)火器件(jian)、特殊(shu)耐(nai)(nai)磨(mo)器件(jian),比如陶(tao)瓷(ci)軸承(cheng)、陶(tao)瓷(ci)爐管、陶(tao)瓷(ci)坩堝(guo)等(deng)。
Al2O3含(han)量在99.9％以上的是“高(gao)(gao)純型氧化鋁(lv)陶(tao)瓷”,這種陶(tao)瓷的燒(shao)結(jie)溫度高(gao)(gao)達1650℃以上,并(bing)具(ju)備透射性(xing),可用(yong)于制作鈉燈管等(deng)(deng)器(qi)件(jian);也可用(yong)于制作集成電(dian)路基(ji)板(ban)、高(gao)(gao)頻絕(jue)緣材(cai)料等(deng)(deng)電(dian)子工業基(ji)礎器(qi)件(jian)。
氧化鋁陶瓷的制造(zao)工(gong)序大致(zhi)可以分為(wei)四步：
1、原料制備
氧(yang)化(hua)(hua)鋁在(zai)地殼中(zhong)含量非常豐富(fu),在(zai)巖石中(zhong)平均(jun)含量為15.34%,是自然界中(zhong)僅次(ci)于SiO2存量的(de)氧(yang)化(hua)(hua)物。應用(yong)于陶(tao)瓷工(gong)業(ye)(ye)的(de)氧(yang)化(hua)(hua)鋁主要有2種(zhong),即工(gong)業(ye)(ye)氧(yang)化(hua)(hua)鋁和(he)電(dian)熔剛玉。
工業氧化(hua)鋁(lv)一般是以含(han)鋁(lv)量高的天然礦物鋁(lv)土礦、鋁(lv)石和高嶺土為原料,通過堿法(fa)、多采用拜爾法(fa)等化(hua)學方法(fa)處理(li),除(chu)去(qu)硅(gui)、鐵(tie)、鈦等雜(za)質(zhi),制備出(chu)氫氧化(hua)鋁(lv),再(zai)經煅燒而(er)制得(de)。工業氧化(hua)鋁(lv)是白(bai)色松散的結晶粉末,平均粒徑(jing)介(jie)于40～70μｍ之間(jian),孔隙率大約為30%。
電(dian)(dian)熔(rong)剛(gang)(gang)玉是(shi)以(yi)工業氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)或(huo)富含鋁(lv)(lv)的(de)(de)原(yuan)料(liao)在電(dian)(dian)弧爐(lu)中熔(rong)融、緩慢冷卻(que)、析(xi)晶(jing)(jing)(jing)出來的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)體,Al2O3的(de)(de)含量可達99%以(yi)上,Na2O含量可減少至(zhi)0.1%～0.3%。電(dian)(dian)熔(rong)剛(gang)(gang)玉的(de)(de)礦物組(zu)成(cheng)主(zhu)要(yao)是(shi)α-Al2O3,屬三方(fang)柱狀晶(jing)(jing)(jing)體,晶(jing)(jing)(jing)體結(jie)構中氧(yang)離子(zi)形成(cheng)六方(fang)較緊密(mi)堆積,鋁(lv)(lv)離子(zi)則(ze)在6個(ge)氧(yang)離子(zi)圍成(cheng)的(de)(de)八面體中心(xin),是(shi)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)各種型(xing)態中較穩(wen)定的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)型(xing)。由(you)于α-Al2O3具有(you)熔(rong)點高、硬度大(da)、耐化(hua)學腐(fu)蝕、介電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)好等優(you)良特性(xing)(xing)(xing),用α-Al2O3為原(yuan)料(liao)制備的(de)(de)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)陶瓷材料(liao),其機(ji)械性(xing)(xing)(xing)能、高溫性(xing)(xing)(xing)能、介電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能及耐化(hua)學腐(fu)蝕性(xing)(xing)(xing)能都非常優(you)異(yi)。
不(bu)同(tong)的氧化(hua)鋁陶瓷產(chan)品(pin)與不(bu)同(tong)的成(cheng)型(xing)工(gong)藝對(dui)氧化(hua)鋁粉(fen)料(liao)有不(bu)同(tong)的要(yao)(yao)求,若(ruo)制造高純型(xing)氧化(hua)鋁陶瓷產(chan)品(pin),氧化(hua)鋁粉(fen)料(liao)的純度要(yao)(yao)在99.99%以(yi)上(shang),并需要(yao)(yao)對(dui)其進(jin)行(xing)很(hen)細粉(fen)碎(sui),使氧化(hua)鋁顆粒(li)均勻分布。若(ruo)采用(yong)注射成(cheng)型(xing)工(gong)藝和擠壓成(cheng)型(xing)工(gong)藝,氧化(hua)鋁粉(fen)料(liao)中還需要(yao)(yao)摻入粘結劑和可塑劑,以(yi)利于(yu)成(cheng)型(xing)的操作。若(ruo)采用(yong)半自(zi)動(dong)(dong)或全(quan)自(zi)動(dong)(dong)干壓成(cheng)型(xing),則需要(yao)(yao)對(dui)粉(fen)料(liao)使用(yong)噴霧造粒(li)法進(jin)行(xing)處理(li),使粉(fen)料(liao)呈圓球(qiu)狀,以(yi)提(ti)高粉(fen)料(liao)的流(liu)動(dong)(dong)性,便于(yu)自(zi)動(dong)(dong)充填和成(cheng)型(xing)。
2、成型
氧(yang)(yang)化鋁陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)是將氧(yang)(yang)化鋁原料(liao)(liao)制作成(cheng)(cheng)(cheng)陶(tao)瓷(ci)(ci)坯(pi)體(ti)的(de)(de)過程,成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)較(jiao)(jiao)多(duo),有注(zhu)(zhu)漿(jiang)(jiang)法(fa)(fa)、注(zhu)(zhu)射法(fa)(fa)、干壓(ya)法(fa)(fa)、擠壓(ya)法(fa)(fa)、冷(leng)等靜壓(ya)法(fa)(fa)、熱壓(ya)與熱等靜壓(ya)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)法(fa)(fa)等多(duo)種方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)。不(bu)同的(de)(de)形狀、尺寸(cun)與精度的(de)(de)產品需要不(bu)同的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)。其中,注(zhu)(zhu)漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)是較(jiao)(jiao)早被(bei)采用(yong)的(de)(de)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa),因該方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)主要使(shi)用(yong)石(shi)膏模為(wei)模具進行(xing)漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)澆注(zhu)(zhu)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing),所以使(shi)用(yong)這(zhe)種方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)制造氧(yang)(yang)化鋁陶(tao)瓷(ci)(ci)成(cheng)(cheng)(cheng)本低(di),并且可(ke)以制作外形復雜以及尺寸(cun)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)產品。注(zhu)(zhu)漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)技術的(de)(de)關鍵是制備漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao),一般(ban)是使(shi)用(yong)水對氧(yang)(yang)化鋁粉料(liao)(liao)進行(xing)溶解,并加入適量解膠劑、粘結劑,對混合(he)漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)進行(xing)充分(fen)研(yan)磨、排(pai)氣,較(jiao)(jiao)后注(zhu)(zhu)入石(shi)膏模內。由(you)于(yu)石(shi)膏模的(de)(de)毛細管會吸附(fu)漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)中的(de)(de)水分(fen),漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)會在(zai)模內慢慢固化成(cheng)(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)。為(wei)減少坯(pi)體(ti)的(de)(de)收縮,應制備和使(shi)用(yong)高濃度漿(jiang)(jiang)料(liao)(liao)。
干(gan)壓成型(xing)技術可實現氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷標(biao)(biao)準化(hua)(hua)、批量化(hua)(hua)生(sheng)產(chan),為氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷的市場化(hua)(hua)推廣提供了(le)生(sheng)產(chan)基礎。但干(gan)壓成型(xing)技術僅能生(sheng)產(chan)形狀(zhuang)單純的標(biao)(biao)準件,并對制(zhi)品的規格(ge)有(you)限定(ding),即(ji)內壁厚度要很過1mm,長(chang)度與直徑之比小(xiao)于(yu)4∶1。在(zai)干(gan)壓過程中(zhong),模具充填時粉體顆粒的均勻分布(bu)狀(zhuang)況(kuang)、充填量是否精準對氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷制(zhi)品的質量、尺(chi)寸、精度等性能的影響很大。經實踐(jian),當氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)粉體的顆粒介于(yu)60～200μm之間可取得較佳成型(xing)效果(guo)。
3、燒結
燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)是將陶(tao)瓷坯(pi)體在高(gao)(gao)溫下進行(xing)致密(mi)(mi),較(jiao)終形成(cheng)固體材(cai)料的(de)(de)(de)一(yi)種技(ji)術。當前市(shi)場(chang)上使(shi)用(yong)較(jiao)廣(guang)泛的(de)(de)(de)裝置是電爐。常見的(de)(de)(de)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)方(fang)式(shi)有3種:常壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)、熱(re)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)和(he)熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)。其中:熱(re)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)可以(yi)連續生產,提(ti)高(gao)(gao)了氧化鋁陶(tao)瓷生產的(de)(de)(de)效率和(he)產量,但熱(re)壓(ya)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)購置成(cheng)本和(he)模(mo)具(ju)費用(yong)與其他方(fang)法相比較(jiao)高(gao)(gao),經濟效益不佳。其次,熱(re)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)需(xu)要限(xian)制陶(tao)瓷制品的(de)(de)(de)尺寸。熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)是使(shi)用(yong)高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓(ya)氣體對陶(tao)瓷坯(pi)體進行(xing)壓(ya)縮致密(mi)(mi)的(de)(de)(de)方(fang)法,該方(fang)法具(ju)有受力、受熱(re)均勻(yun)的(de)(de)(de)優(you)點,非常適合形狀復(fu)雜的(de)(de)(de)制品的(de)(de)(de)成(cheng)型。使(shi)用(yong)該種方(fang)法燒(shao)(shao)(shao)(shao)成(cheng)的(de)(de)(de)陶(tao)瓷材(cai)料,其性(xing)能(neng)要比冷壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)的(de)(de)(de)產品性(xing)能(neng)提(ti)高(gao)(gao)30%以(yi)上,比一(yi)般熱(re)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)結(jie)(jie)產品的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)提(ti)高(gao)(gao)10%以(yi)上,因此(ci)一(yi)些高(gao)(gao)附加值(zhi)的(de)(de)(de)產品及特殊的(de)(de)(de)零部件均采用(yong)熱(re)等(deng)靜(jing)壓(ya)燒(shao)(shao)(shao)(shao)成(cheng)方(fang)法,如陶(tao)瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管(guan)等(deng)制品。
4、精加工與封裝工序
有些氧化(hua)鋁陶(tao)瓷材料在(zai)燒結后需要進(jin)一(yi)步精加工,比如(ru)對產品表(biao)面進(jin)行拋(pao)光或鍍膜,以(yi)增強其光潔度及力學強度。加工或精加工結束后,一(yi)般(ban)使用(yong)塑料等容器進(jin)行封裝(zhuang)。
氧化鋁陶(tao)瓷具(ju)有穩定的(de)(de)理化性(xing)能和十(shi)分優(you)異的(de)(de)機電(dian)性(xing)能,隨著科學技術的(de)(de)發(fa)展和制(zhi)造水平的(de)(de)提高,各種高性(xing)能的(de)(de)氧化鋁陶(tao)瓷新(xin)材(cai)(cai)料、新(xin)產品(pin)也將不斷(duan)涌(yong)現,但(dan)仍有很多指標(biao)需改善,有很多特性(xing)等待(dai)大家共同去研究(jiu)、開發(fa)。同時,對氧化鋁陶(tao)瓷新(xin)材(cai)(cai)料的(de)(de)研究(jiu)、開發(fa)與應用將是材(cai)(cai)料科學未來發(fa)展的(de)(de)重要(yao)分支。