氧化铝陶瓷简介

     氧化铝陶瓷具有硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、电绝缘性高和介电损耗低等一系列优异特性，成为了当前生产量最大、应用面最广的先进陶瓷材料，已被广泛应用于冶金、化工、电子及生物医学等多个行业。

 

    人们通常以配料中Al2O3的含量对其进行分类，其中：Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”，因烧结温度较低，所以75瓷的成本较其他氧化铝陶瓷低，但因其性能一般，现已基本不再采用了。

 

     Al2O3含量在85%左右的为“85瓷”，在制造85瓷的过程中，常在配料中掺入滑石粉等粉料，以提高陶瓷产品的机械强度与电性能。85瓷常用于制作电真空装置器件。

 

     Al2O3含量在95%左右的为“95瓷”，主要用作耐腐蚀、耐磨部件。

 

    Al2O3含量在99%左右的为“99瓷”，99瓷具有耐高温、耐磨、耐腐蚀的优良性能，可用于制作特殊耐火器件、特殊耐磨器件，比如陶瓷轴承、陶瓷炉管、陶瓷坩埚等。

 

    Al2O3含量在99.9％以上的是“高纯型氧化铝陶瓷”，这种陶瓷的烧结温度高达1650℃以上，并具备透射性，可用于制作钠灯管等器件；也可用于制作集成电路基板、高频绝缘材料等电子工业基础器件[1]。

 

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氧化铝陶瓷烧结技术

2.1 无压烧结

      无压烧结属于在大气条件下将坯体烧结的过程。在无外加压力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点0.5-0.8即可，在此温度下固相烧结能引起足够的原子扩散[2]。这是最常用、也是最简单的一种烧结方式，其特点在于设备简单、成本较低，易于工业化生产，而且可以烧结具有不同形状、大小的材料，因此纳米陶瓷的无压烧结法一直备受关注，并发展了快速烧结、两步烧结等烧结方式[3]。

• 2.1.1常规烧结

     常规烧结是以传统的一步烧结方式升温到最高烧结温度保温一段时间后，再降温到室温来烧结陶瓷的方法。一般认为，常规烧结只对易烧结，粉体性能优异，素坯致密度较高且结构均匀性好的材料有效。已有学者对成型压力及粉体晶粒尺寸对陶瓷烧结的影响进行了研究。Li等人采用传统无压烧结法，以10ºC/min的速率升温到1450ºС烧结1h得到了晶粒尺寸为90nm、致密度90%左右的Al2O3纳米陶瓷，研究发现素坯密度、陶瓷致密度和成型压力成正的相关关系。因此，获得结构均匀且密度高的素坯是无压常规烧结纳米陶瓷的重要条件[2，3]。

 

• 2.1.2两步烧结法

     该方法主要有两种形式，图1a和图1b的烧结方法分别由Chu等和Chen等提出。前者是先低温烧结，然后升温到高温段烧结，最后冷却获得陶瓷体的方法，能够较好的控制陶瓷材料的微观结构并改善其性能，但该方法制备的陶瓷晶粒尺寸一般较大。后者是先将生坯加热到一个温度t1，使其先完成一部分致密化，且相对密度介于75%与90%之间，部分气孔处于亚稳定的状态。然后再将温度降至相对较低的t2温度长时间保温，通过低温下的扩散使烧结体完成最终致密化，同时抑制晶粒长大，以提高烧结陶瓷的力学性能，其本质在于充分利用陶瓷晶界迁移和晶界扩散的动力学差异实现对烧结后期晶界迁移的抑制，相比较快速烧结对烧结前期晶粒粗化的抑制效果更佳，是制备纳米陶瓷的一种有效方法[2，3，4]。

 

 

 

图1两步法烧结的不同烧结制度[5]

 

2.2 热压烧结

 

     热压烧结是在高温下加热粉体的同时施加单向轴应力，使烧结体的致密化主要依靠外加压力作用下完成物质的迁移。热压烧结可分为真空热压烧结、气氛热压烧结和连续热压烧结等，热压烧结与常压烧结相比烧结温度低得多。就氧化铝而言常压下的普通烧结必须烧至1800℃而热压（20MPa）只需烧至1500℃左右。另外由于在较低的温度下烧结就抑制了晶粒的生长，所得到的烧结体致密、晶粒较细、气孔率低、强度较高[6]。Kear等将Al2O3粉在8GPa压力下于800℃烧结15min制备出晶粒尺寸小于50nm、致密度为98%的纳米Al2O3陶瓷。

 

     热压烧结采用预成型或将粉料直接装入模内，工艺简单。该烧结法烧成的制品密度高，理论密度可达99%，而且此烧结也存在一定缺点，如不易生产形状复杂制品，生产规模小，成本高等[2]。

 

2.3 热等静压烧结

 

     热等静压烧结实质上就是一种另类的热压烧结工艺。它是在高温的环境下，把所要烧结的坯体放置在气体介质之中，这样坯体会受到来自四面八方的压力的作用，所制作的陶瓷材料在致密度方面可以得到进一步的提高；热等静压在烧结过程消耗的时间较少，而且在烧结时所需要的温度相对来说也比较低；在微观结构上表现得十分均匀，性能十分优异[7]。但是热等静压设备昂贵，而且实验过程中需要消耗大量的气体，成本较高，这将不利于大规模应用；最后，对于需要包套材料的烧结，包套材料本身的低软化温度将限制纳米陶瓷烧结温度[3]。

 

2.4 高真空烧结

    高真空烧结是指在高度真空的状态下进行烧结的一种烧结技术。王利等人以高纯氧化铝为原材料，所用高纯氧化铝的纯度大于99.99%，采用等静压成型技术，接着在1500℃的温度的真空条件下进行烧结，制备的高纯氧化铝陶瓷性能优异，不仅具有很高的抗弯强度，而且晶粒尺寸在2～3μm。Gustavo等人采用了高真空烧结技术制得氧化铝陶瓷，相对密度大，弯曲强度高。研究得出：运用高真空烧结方法制作高纯氧化铝陶瓷，不仅可以使晶界处杂质减少，而且出现气孔的概率也会降低[7]。

 

2.5微波烧结

 

      微波烧结是微波电磁场与材料介质相互作用导致介电损耗而使材料表面和内部同时受热的过程[8]。卢等结果表明：微波烧结高纯α-Al2O3全瓷与传统烧结相比，其烧结温度降低，烧结时间大幅度缩短，材料晶粒尺寸在烧结前后变化很小，烧结体更加均匀、致密，这为纳米牙科陶瓷材料的研制提供了重要工艺手段[3]。

     其优点是：升温速率快，可实现快速烧结和晶粒细化；陶瓷产品整体均匀加热，内部温度场均匀；利用微波对材料的选择性加热，可以对材料某些部位进行加热修复或缺陷愈合；微波加热高效节能，节能效率可达50%左右；无热惯性，便于实现烧结的瞬时升、降温自动。但是，目前仍然需要详细了解微波腔内电磁场的性质和分布、微波⁃材料相互作用、材料转化和传热机制，从而优化工艺。由于微波烧结是一项相对较新的技术，陶瓷工业可能需要相当长的时间来实施这项技术，所以未来研究重点主要是微波烧结工业化应用[9]。

 

2.6 放电等离子烧结(SPS)

      放电等离子烧结是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场使材料加热至烧结温度从而实现烧结的过程[10]。与通常的烧结方法相比，放电等离子体能产生高温，升温速率可高达1000℃/min。晶粒表面由于受到等离子的作用而激发活化加速烧结致密化，具有很高的烧结效率[11]。工作原理如图2所示。

 

 

 

图2放电工作原理示意图[12]

      SPS技术具有烧结温度低、保温时间短、升温速率快、烧结压力可调控、可实现多场耦合(电－力－热)等突出的优点。除Al2O3等常见陶瓷外，SPS技术也可用于许多难烧结材料的制备，如ZrB2、HfB2、ZrC、TiN等[13]。

结束语

      陶瓷具有机械强度高、耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘电阻大等一系列优良性能，已被广泛应用于冶金、化工、电子及生物医学等多个行业。由于氧化铝陶瓷需要在较高的温度下才能烧结，而氧化铝的晶界能很高，极易导致晶粒的异常长大，因此在烧结过程中如何控制晶粒的生长很关键。除了使用性能良好的纳米粉和选择适当的添加剂以外，采用合适的的烧结方法也非常重要。