无机非金属材料工艺学
无机非金属材料工艺学第三次作业
班级：材料科学与工程2班（非金属）
姓名：伍洋婷
学号：201211101076
2015年4月7日
氧化铝陶瓷生产技术工艺简介氧化铝陶瓷的低温烧结技术
氧化铝陶瓷是一种以Ａｌ
２Ｏ
３
为主要原料，以刚玉（α—Ａｌ
２
Ｏ
３
）为主晶相的
陶瓷材料。
一、通过提高Ａｌ
２Ｏ
３
粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。
目前，制备超细活化易烧结Ａｌ
２Ｏ
３
粉体的方法分为二大类，一类是机械
法，另一类是化学法。机械法是用机械外力作用使Ａｌ
２Ｏ
３
粉体颗粒细化，常用
的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积，尽管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒径小至１μｍ左右或更细一点，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的
缺点。近年来，采用湿化学法制造超细高纯Ａｌ
２Ｏ
３
粉体发展较快，其中较为成
熟的是溶胶—凝胶法。由于溶胶高度稳定，因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中，通过进一步脱水形成均匀的凝胶（无定形体），再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。目前此法大致有以下３种工艺流程。
（１）形成金属氧有机基络合物溶胶→水解并缩合成含羟基的三度空间高分子结构→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成活性氧化物粉料。
（２）含有不同金属离子的酸盐溶液和有机胶混合成溶液→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成粉体。
（３）含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶→低温煅烧成粉
体。湿化学法制备的Ａｌ
２Ｏ
３
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Ａｌ
２Ｏ
３
粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度（可降１５
０℃—３００℃），而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。表二是日本住友化学
有限公司生产的易烧结Ａｌ
２Ｏ
３
粉料理化指标。
二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度
氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中Ａｌ
２Ｏ
３
的含量来决定，Ａｌ
２
Ｏ
３
含量越高，瓷料的烧结温度越高，除此之外，还与瓷料组成系统、各组成配
比以及添加物种类有关。比如，在Ａｌ
２Ｏ
３
含量相当时，ＣａＯ－Ａｌ
２
Ｏ
３
－Ｓ
ｉＯ
２系Ａｌ
２
Ｏ
３
瓷料比ＭｇＯ－Ａｌ
２
Ｏ
３
－ＳｉＯ
２
系瓷料的烧结温度低，对于
我国目前大量生产的ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ
２Ｏ
３
－ＳｉＯ
２
系统瓷料而言，为使
其具有较低的烧结温度与良好性能，应控制其ＳｉＯ
２
／ＣａＯ处于1６～0６之内，ＭｇＯ含量不超过熔剂类氧化物总量的１／３，同时，在配方中引入少量的
Ｌａ
２Ｏ
３
、Ｙ
２
Ｏ
３
、Ｃｒ
２
Ｏ
３
、ＭｎＯ、ＴｉＯ
２
、ＺｒＯ
2
、Ｔａ
２
Ｏ
３
等氧化物
能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。目前配方设计中所加入的各种添加剂，根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同，可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。
１、与Ａｌ
２Ｏ
３
形成新相或固溶体的添加剂。
这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物，如ＴｉＯ
２、Ｃｒ
２
Ｏ
３、Ｆｅ
２
Ｏ
３
、ＭｎＯ
２
等，在烧成中，这些添加物能与Ａｌ
２
Ｏ
３
生成固溶体，
这类固溶体或为掺入固溶体（如Ｔｉ4+置换Ａｌ３＋时），或为有限固溶体，或为
连续固溶体（如Ｃｒ
２Ｏ
３
与形成的Ａｌ
２
Ｏ
３
），它们可以活化晶格（ＴＩ４＋、Ａ
ｌ３＋离子半径差所致）、形成空穴或迁移原子，（３ＴｉＯ
２ＡｂＯ
３
３Ｔｉａ
１＋Ｖａ１＋６０）以及使晶格产生变形，这些作用使得Ａｌ
２Ｏ
３
陶瓷易于重结
晶而烧结。例如添加０５～１０％的ＴｉＯ
２
时，可使瓷体的烧结温度下降１５０—２００℃。以固相烧结方式为主的高铝瓷常采用这类添加剂，例如某黑
色氧化铝陶瓷配方如下（ｗｔ％）：Ａｌ
２Ｏ
３
９１、ＣｏＯ０５、ＭｎＯ２７、
Ｃｒ
２Ｏ
３
２１、ＳｉＯ
２
０４、ＴｉＯ
２
２０、Ｖ
２
Ｏ
３
０３，该瓷料在１３５
０℃下保温２小时烧成。这类添加剂促进氧化铝瓷烧结的作用具有一定的规律
性：①能与Ａｌ
２Ｏ
３
形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温
作用更大；②可变价离子一类添加剂比不变价的添加剂的作用大；③阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。需要注意的是，由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的（重结晶烧结），故晶体内的气孔较难填充，气密性较差，因而电气性能下降较多，在配方设计时要加以考虑。
２、烧成中形成液相的添加剂。
这类添加剂的化学成分主要有ＳｉＯ
２
、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等，它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成温度低，因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。当有相当量（约１２％）的液相出现，固体颗粒在液相中有一定的溶解度及固相颗粒能被液相润湿时，其促进烧结作用也更显著。其作用机理在于液相对固相表面的润湿力及表面张力，两者使得固相颗粒靠近并填充气孔。此外，烧结过程中因细小有缺陷的晶体表面活性大，故在液相中的溶解度要比大晶体的大得多。这样，烧结过程中小晶体不断长大，气孔减小，出现重结晶。为了防止因重结晶使晶粒过分长大，影响陶瓷的机械性能，在配方设计中需考虑选用一些对晶粒增大无影响甚至能抑制晶粒增大的添加物，如ＭｇＯ、ＣｕＯ和ＮｉＯ等。
目前，在液相烧结的Ａｌ
２Ｏ
３
瓷料配方中，助烧添加剂可以采用以下３种物
料形态来加入。
①以天然矿物形态加入。这类矿物原料主要有：高岭土、膨润土等粘土矿。石英、滑石、菱镁矿、白云石、方解石等等，它们分别引入ＳｉＯ
２
、ＭｇＯ、ＣａＯ等化学成分。配方中高岭土及其它粘土矿物的使用，除了满足瓷体化学组成要求外，更主要可以改善坯料的成型性能。添加剂的这种加入形式适用于Ａｌ２Ｏ３含量在９０％以下的中铝瓷配料，例如某低温烧结７５瓷配方如下（ｗ
ｔ％）：煅烧Ａｌ
２Ｏ
３
６５、高岭土２４、膨润土２、ＢａＣＯ
３
４、方解石
３、生滑石２。
②、以人工合成添加剂形态加入。此法是在ＣａＯ－Ａｌ
２Ｏ
３
－ＳｉＯ
２
、
ＭｇＯ－Ａｌ
２Ｏ
３
－ＳｉＯ
２
、ＣａＯ－ＭｇＯ－Ａｌ
２
Ｏ
３
－ＳｉＯ
２
等三元、四
元或其它相图中找到最低共溶物的组成点，预先按组成点的成分将ＣａＯ、Ｍｇ
Ｏ、ＳｉＯ
２、Ａｌ
２
Ｏ
３
等所需化合物进行第一次配料，经球磨、煅烧成为低共
熔物，即“人工合成添加剂”，然后按一定配比将人工合成添加剂与Ａｌ
２Ｏ
３
粉料进行第二次配料，以满足氧化铝陶瓷化学组成和性能要求。此法纯度高，主要用于降低化学组成准确、性能要求高的高铝瓷烧结温度，缺点是工艺复杂，能耗高，制品成本高，只在特殊情况下采用。
③以化工原料形态加入。在配料时，直接将各种化工原料作为添加剂与Ａｌ
２Ｏ
３
粉体一起一次完成配料，各助烧添加剂的组成比例仍然是参照专业相图中最
低共熔点的组成来设定。生产实践证明，此法不仅与人工合成添加剂法具有同样的降温效果，而且大大简化了工艺，无论配方设计、配料计算和工艺过程都比人
