特种陶瓷第一讲 氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷摘要：本文介绍了氧化铝陶瓷的结构、制备、性能及用途。

关键字：氧化铝陶瓷、Al2O3正文：一、氧化物陶瓷简介按照传统的分类方法，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷（精细陶瓷），这两类陶瓷间没有严格的界限，有的陶瓷品种可以一种多用。

工业Al2O3，是由铝矾土(Al2O·3H20)和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法来制备。

电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000—2400℃熔融而制得，也称人造刚玉。

Al2O3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即Al2O3 、Al2O3 、Al2O3 。

其结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为Al2O3。

Al2O3属尖晶石型(立方)结构，氧原子呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中，在高温下不稳定，力学性能、电学性能差，在自然界中不存在。

由于结构疏松，因此，也可用它来制造某些特殊用途的多孔材料。

Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。

它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示(RO指碱上金属氧化物，R2O指碱金属氧化物)，其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]-层和[Al11O12]+类型尖晶石单元交叠堆积而成。

氧离子排列成立方密堆积，Na+完全包含在垂直于c轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电现象。

Al2O3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然界只存在Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。

Al2O3结构最紧密、活性低、高温稳定。

它是三种形态中最稳定的晶型，电学性能最好，具有良好的机械和电学性能，一般氧化铝陶瓷都由Al2O3来制取。

二、氧化铝陶瓷的制造工艺氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其氧化铝含量一般在75％～99％之间。

习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类，氧化铝含量在75％左右的为"75瓷”，含量在99％的为“99瓷”等。

专业无机非金属材料学号43080207姓名邱海龙氧化铝陶瓷1、氧化铝陶瓷概述氧化铝陶瓷是以Al2O3为主要原料，以刚玉(α-Al2O3)为主要矿物质组成的，是一种相当重要的陶瓷材料。

1.1陶瓷的类型和性能Al2O3陶瓷通常以配料或基体中Al2O3的含量来分类。

习惯上把Al2O3含量在99％左右的陶瓷称为“99瓷”，把含量在95％和90％左右的依次称为“95瓷”和“90瓷”。

含量在85％以上的陶瓷通常称为高铝瓷，含量99％以上的称为刚玉瓷或纯刚玉瓷。

Al2O3陶瓷，特别是高铝瓷的机械强度极高，导热性能良好，绝缘强度、电阻率高，介质损耗低，介电常数一般在8~10之间，电性能随温度和频率的变化比较稳定，特别是纯度(Al2O3含量)达99.5％的刚玉瓷，直到频率高达1010Hz以上时，tgδ(介质损耗)≤1*10-4。

图1.1、图1.2和图1.3为高铝瓷的介电性能随温度和频率的变化情况，图1．4为高铝瓷的热导率随温度的变化。

为了进行对比同时显示出BeO陶瓷性能随温度和频率的变化情况。

图1.1 高铝瓷及BeO瓷的介电常数随频率的变化图1.2 高铝瓷及BeO瓷的tgδ随频率的变化图1.3 高铝瓷及BeO瓷在106和1010Hz下的tgδ随频率的变化(1)95 Al2O3 (f=106)；(2) 90.5 Al2O3 (f=106) ；(3) 95 Al2O3 (f=1010) ；(4) 99 BeO(f=1010) ；(5) 99.5 Al2O3(f=1010)图1.4 高铝瓷及BeO瓷的热导率随频率的变化从图1．4可以看出，与导热性能最好的BeO陶瓷相比，高铝瓷的热导率要低得多，但是，高铝瓷的热导率还是比较高，以95瓷而论，其室温下热导率21W ／(m·K)就比滑石瓷的热导率2.1W／(m·K)高一个数量级。

高铝瓷的烧结温度较高，为了降低烧结温度，降低成本，国内外都研制并生产了Al2O3含量在75％~85％之间的陶瓷。

四、氧化铝陶瓷的低温烧结
由于氧化铝熔点高达2050℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高，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，从而降低生产成本。
预烧方法不同、添加物不同、气氛不同，预烧质量也不一样。工业中预烧氧化铝时，通常要加入适量添加物，如 、 、 等，加入量一般为0.3%～3%，添加物可以降低预烧温度、促进晶型转化、排除Na2O等杂质。硼酸盐除碱效果好，氟化物可促进晶型转变，且收缩大、活性好。还原气氛也有利于排除Na2O等杂质。
预烧质量还与预烧温度有关：预烧温度偏低，则不能完全转变成 -Al2O3且电性能降低；若温度过高，粉料烧结， -Al2O3晶粒异常长大、硬度高，不易粉碎，且烧结活性低，制品难以烧结，不利于形成均匀的结构。一般情况下，Al2O3粉体煅烧温度控制在1400～1450℃。
湿化学法制备的Al2O3粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围窄，化学纯度高，晶体缺陷多。因此化学法粉体的表面能与活性比机械法粉体要高得多。采用这种超细Al2O3粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度（可降150℃—300℃），而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。
4.2通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度
物料
-Al2O3
苏州土
CaCO３
BaCO３
烧骨石
ZrO2、CeO2、La2O3
Wt%
91
3
1.5
0.5
2
2
3.采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度
采用热压烧结工艺，在对坯体加热的同时进行加压，那么烧结不仅是通过扩散传质来完成，此时塑性流动起了重要作用，坯体的烧结温度将比常压烧结低很多，因此热压烧结是降低Al２O３陶瓷烧结温度的重要技术之一。目前热压烧结法中有压力烧结法和高温等静压烧结法（ＨＩＰ）二种。ＨＩＰ法可使坯体受到各向同性的压力，陶瓷的显微结构比压力烧结法更加均匀。就氧化铝瓷而言，如果常压下普通烧结必须烧至1800℃以上的高温，热压20ＭＰａ烧结，在1000℃左右的较低温度下就已致密化了。热压烧结技术不仅显著降低氧化铝瓷的烧结温度，而且能较好地抑制晶粒长大，能够获得致密的微晶高强的氧化铝陶瓷，特别适合透明氧化铝陶瓷和微晶刚玉瓷的烧结。此外，由于氧化铝的烧结过程与阴离子的扩散速率有关，而还原气氛有利于阴离子空位的增加，可促进烧结的进行。因此，真空烧结、氢气气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。

• 2、原料杂质的影响 • 工业Al2O3中常含有NaO2杂质，会提高介
电损耗。
• 工业Al2O3中还含有SiO2杂质，会与NaO2 形成钠长石，消除NaO2杂质的影响
4、高纯Al2O3粉体制备方法
• A：铵明矾热分解法
• 纯度99.9%以上，烧成品半透明，常制备高压 钠灯灯管。
• B、碳酸铝铵热分解法
• C： 有机铝盐热分解法（sol－gel法）
• 烷基铝和铝醇盐加水分解而制得氢氧化铝， 在进行热分解
• D：水热法、共沉淀法
二、 成型
• 干压法成型、注浆成型、挤压成型、冷等静 压成型、热等静压成型、热压成型、注射成 型、流延成型等等。
• 颗粒紧密接触，可缩短质点在高温下迁移距 离，加速扩散，从而有利于缩短烧成时间， 保证烧结体内无大气孔等缺陷。
• （4）原料的颗粒度及晶格缺陷 • 电熔Al2O3需要更高烧结温度
四、Al2O3陶瓷的加工
• 加工：陶瓷制品经过一种或数种车削、施釉和金 属化的操作。
• 1、研磨（美国willbank和日本Toto公司） • SiC和C料研磨和抛光，尺寸精确，但花费代价大。 • 2、施釉 • 将试样浸入到合适的釉浆中或直接进行喷涂而获
• MgO、SiO2、CaO、高岭土等 • MgO，生成薄层镁铝尖晶石，抑制晶粒长大。0.5－
1%,如原料粒径为1—2μm，陶瓷晶粒尺寸不会大于 15μm
• B、使用易于烧结的粉体
• 通过调整粉料制备工艺，使粉末微细化， 活性高。
• （3）、热压烧结 • 烧结过程中升温同时进行加压，促进物质
的塑性流动。
• 金属粉末
4、烧结过程中的物质传递
• （1）、蒸发和凝聚
• 颗粒曲率半径很小时， 蒸气压发生变化，凸面 上蒸气压增高而凹面上 蒸气压降低。因此，凸 面上物料蒸发后，通过 气相传递，在凹面上 （颈部）凝聚。