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影響Al2O3陶瓷低溫燒結的因素

發布時間:2021-10-13 16:23:50

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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Al2O3陶瓷是目前世界上生產量最大、應用面最廣的陶瓷材料之一,廣泛應用在機械、電子、化工、航天等領域,具有強度高、硬度高、耐腐蝕、耐高溫等優異性能。但氧化鋁陶瓷的燒結溫度比較高,需要消耗大量能源,對設備要求高。從節約資源,減少成本的角度,低溫燒結氧化鋁陶瓷技術逐漸被應用。那么影響Al2O3陶瓷低溫燒結的因素有哪些呢?

在生產Al2O3陶瓷時,根據Al2O3含量的不同可分為:75瓷(75%Al2O3)、85瓷(85%Al2O3)、95瓷(95%Al2O3)、99瓷(99%Al2O3)。


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Al2O3顆粒尺寸的影響

在陶瓷燒結過程中,燒結動力主要來源于顆粒表面積的減少,顆粒的尺寸和氣孔的形狀都在不斷地發生變化。

小尺寸顆粒比表面積大、表面活性高,所以可以降低其燒結溫度和燒結活化能,進而提高燒結體的密度以及力學性能。


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Al2O3顆粒尺寸越小,燒結性能越好,更大的比表面積增加了燒結驅動力和擴散速率,坯體中的氣孔更容易被壓縮,陶瓷的密度以及力學性能進一步提升。

但是小尺寸顆粒流動性較差,不利于干壓成形,干壓成形受力是單面受力,導致坯體內部密度不均勻,影響燒結體的致密性。

等靜壓成形利用液壓可以使粉體各個方向受到相同的力,即使小尺寸顆粒的流動性很差,也可以提升坯體內部均勻性,進而提高燒結體的密度與力學性能,但是等靜壓成形只適合形狀簡單的坯體。


燒結助劑的影響

目前普遍認為燒結助劑可分為兩類:一類與Al2O3形成固溶體,為固相燒結;另一類與Al2O3形成液相,為液相燒結。通過固溶體或液相的晶粒擴散,使Al2O3粉體在較低溫下實現致密化燒結。

固相燒結

固相燒結主要靠界面移動和質點擴散兩種途徑實現燒結。生成固相的燒結助劑一般有TiO2、MnO2、Fe2O3、Cr2O3、Nb2O5等。

與液相燒結相比,固相燒結致密度較差,但體積變化不大,高溫性能相對較好,若配合特殊燒結方法(熱等靜壓燒結、氣氛燒結、電場燒結、超高壓燒結等)結合使用,可以克服這種添加劑帶來的一些缺陷。


液相燒結

液相燒結主要靠流動傳質的方式來實現燒結。生成液相的燒結助劑有SiO2、CaO、MgO、ZnO等。

燒結助劑有很強的滲透能力,通過添加低熔點氧化物燒結助劑在燒結階段形成液相,在較大的程度上降低粉體的燒結激活能,從而促進燒結過程中物質遷移和傳遞,達到Al2O3陶瓷致密化的目的。

總結:

固相燒結主要與顆粒尺寸和活性、燒結溫度、成形壓力等因素有關,液相燒結與液相性質、液-固潤濕情況、固相在液相中的溶解度等有關。


燒結方法的影響

熱壓燒結

熱壓燒結是加壓燒結和加壓成形同時進行的一種燒結工藝,該燒結方法可以大幅度縮短燒結周期,制得致密度很高和晶粒很細的陶瓷。

采用熱壓雖然可以提高Al2O3陶瓷材料的力學性能,但是制備的陶瓷形狀簡單,生產效率低。


熱等靜壓燒結

熱等靜壓法跟熱壓燒結相似,是在高溫和高壓聯合作用下強化壓制與燒結的過程。主要特點是大大降低陶瓷的燒結溫度,消除其內部孔隙,提高材料的致密度和強度。

熱等靜壓法雖然能改善Al2O3陶瓷的性能,但是其生產效率低,成形的形狀與結構簡單,適合于有特殊要求的陶瓷。


微波燒結

微波燒結是利用微波電磁場中的介電損耗材料而使陶瓷坯體表面和內部同時加熱的燒結過程。

微波燒結克服了燒結體形狀簡單的缺點,此外微波燒結的陶瓷內部組織均勻,綜合性能高于傳統燒結的陶瓷。


放電等離子燒結

放電等離子燒結又稱脈沖電流燒結,是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產生的瞬時高溫場來實現的燒結過程。

放電等離子燒結法可以縮短燒結時間、降低燒結溫度、提高陶瓷性能,所制備的Al2O3陶瓷組織均勻、綜合性能好。


真空燒結

真空燒結是指在一定的負壓和溫度下對Al2O3陶瓷坯體進行燒結。不同于熱壓燒結,真空燒結爐內處于負壓環境,有利于坯體內部氣體逸出,提高燒結體的致密性。

真空燒結法一般適用于透明陶瓷制備,可以大大提高燒結體的密度,尤其針對形狀復雜的坯體,陶瓷材料的性能提升顯著,但是其燒結工藝復雜,設備昂貴,不適合大批量生產。


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總結

在Al2O3顆粒尺寸方面,雖然顆粒尺寸細小可以促進燒結,但是細化顆粒一方面增加成本,另一方面顆粒尺寸細小更容易發生團聚,并且在燒結加熱階段,晶粒越細越容易長大,給研究帶來一定困難。

燒結助劑雖然可以實現低溫燒結,但是在固相燒結中陶瓷致密性較差,想要達到理論密度必須配合新型燒結方法。

在燒結方法方面,熱壓燒結和熱等靜壓燒結可以在較低的溫度下完成燒結致密過程,但是只能制備形狀簡單的小件陶瓷,生產效率極低,不適合大規模使用,尤其是熱等靜壓燒結必須對粉體進行包封,所以也很難實現工業化生產。放電等離子法加熱速度快、受熱均勻,所得的樣品晶粒均勻、致密度高。



(參考來源:Al2O3陶瓷低溫燒結性能影響因素的研究進展)





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