氧化铝陶瓷的发展与应用

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氧化铝陶瓷的发展与应用

前言

氧化铝陶瓷具有机械强度高,绝缘电阻大,硬度高,耐磨、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能,其广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子等各个行业,是目前氧化物陶瓷中用途最广、产销量最大的陶瓷新材料。

通常氧化铝陶瓷分为2 大类,一类是高铝瓷,另一类是刚玉瓷。高铝瓷是以Al2O3 和

SiO2 为主要成分的陶瓷,其中Al2O3 的含量在45 %以上,随着Al2O3 含量的增多,高铝瓷的各项性能指标都有所提高。由于瓷坯中主晶相的不同,又分为刚玉瓷、刚玉—莫来石瓷、莫来石瓷等。根据Al2O3 含量的不同,习惯上又称为75瓷、80 瓷、85 瓷、90 瓷、92 瓷、95 瓷、99 瓷等。高铝瓷的用途极为广泛,除了用作电真空器件和装置瓷外,还大量用来制造厚膜、薄膜电路基板,火花塞瓷体,纺织瓷件,晶须及纤维,磨料、磨具及陶瓷刀,高温结构材料等。目前市场上生产、销售和应用最为广泛的氧化铝陶瓷是Al2O3 含量在90 %以上的刚玉瓷。

1 原料

作为陶瓷原料主要成分之一的氧化铝在地壳中含量非常丰富,在岩石中平均含量为15. 34 % ,是自然界中仅次于SiO2 存量的氧化物。一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有2 大类,一类是工业氧化铝,另一类是电熔刚玉。

1. 1 工业氧化铝

工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿(主要矿物组成为铝的氢氧化物, 如一水硬铝石(xAl2O3·H2O> 、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物组成> 和高岭土为原料,通过化学法(主要是碱法,多采用拜尔法———碱石灰法> 处理,除去硅、铁、钛等杂质制备出氢氧化铝,再经煅烧而制得,其矿物成分绝大部分是γ- Al2O3 。

工业氧化铝是白色松散的结晶粉末,颗粒是由许多粒径< 0. 1μm 的γ-

Al2O3 晶体组成的多孔球形聚集体,其孔隙率约为30 % ,平均粒径为40~70μm。工业氧化铝含量的质量标准见表1。

表1 工业氧化铝含量的质量标准(质量%>

1 级

2 级

3 级

4 级

5 级

Al2O3> 98. 60 ≮98. 50≮98. 40 ≮98. 30 ≮98. 20

SiO2 ≯0. 02 ≯0. 04 ≯0. 06 ≯0. 08 ≯0. 10

Fe2O3 < 0. 03 ≯0. 04 ≯0. 04 ≯0. 04 ≯0. 04

Na2O ≯0. 50 ≯0. 55 ≯0. 60 ≯0. 60 ≯0. 60

灼减< 0. 80 ≯0. 80 ≯0. 80 ≯0. 80 ≯1. 00

工业氧化铝的3 项主要杂质成分中,Na2O 及Fe2O3 将降低氧化铝瓷件的电性能,Na2O 的含量应<0. 5 %~0. 6 % ,Fe2O3 含量应< 0. 04 %。另外,在电真空瓷件中,工业氧化铝

不得含有氯化物、氟化物等,因为它们能侵蚀电真空装置。

1. 2 电熔刚玉

电熔刚玉是以工业氧化铝或富含铝的原料在电弧炉中熔融,缓慢冷却使晶体析晶出来,其Al2O3 含量可达99 %以上,Na2O 含量可减少至0. 1 %~0. 3 %。电熔刚玉的矿物组成主要是α- Al2O3 ,纯正的电熔刚玉呈白色,称为白刚玉。熔制时加入氧化铬,可制成红色的铬刚玉。加入氧化锆时可制成锆刚玉。电熔刚玉中含有TiO2 则称钛刚玉。这一系列的电熔刚玉由于熔点高、硬度大,是制造高级耐火材料、高硬磨料磨具的优质原料(刚玉熔点为2

050 ℃,莫氏硬度为10> 。

1. 3 氧化铝的主要晶型

氧化铝具有多种晶体结构,大部分是由氢氧化铝脱水转变为稳定结构的α- Al2O3 时所生成的中间相,它们的结构是不完整的,在高温下是不稳定的,最后都转变成α- Al2O3 。据文献报道,已有α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、κ、λ、ρ及无定型氧化铝等12 种,最为常见的有α-Al2O3 、β- Al2O3 和γ- Al2O3 3 种。

α- Al2O3 俗称刚玉,属三方柱状晶体,晶体结构中氧离子形成六方最紧密堆积,铝离子则在6 个氧离子围成的八面体中心。由于α- Al2O3 具有熔点高,硬度大,耐化学腐蚀,优良的介电性,是氧化铝各种型态中最稳定的晶型,也是自然界中惟一存在的氧化铝的晶型。用α- Al2O3 为原料制备的氧化铝陶瓷材料,其机械性能、高温性能、介电性能及耐化学腐蚀性能都是非常优异的。

β- Al2O3 实际上不是氧化铝的变体,而是一种含碱金属( 或碱土金属> 的铝酸盐( 其通式为R2O ·11Al2O3 ,或RO·6Al2O3 > 。β- Al2O3 是一种不稳定的化合物,加热时,会分解生成Na2O (或RO> 和α- Al2O3 ,Na2O 则挥发逸出。其分解温度取决于高温煅烧时的气氛和压力,在空气或氢气中1 200 ℃便开始分解,超过1 650 ℃则剧烈挥发。其中的Naβ- Al2O3 具有层状结构,Na + 能在层间(即垂直于C 轴的松散堆积平面内> 迁移、扩散和离子交换,在层间的方向具有较高的离子导电能力和松弛极化现象,可作为钠硫电池的导电隔膜材料。而在平行于C 轴的方向上Na + 不能扩散,沿C 轴方向很小甚至无离子电导。由于β- Al2O3 的结构,具有明显的离子导电能力和松弛极化现象,介质损耗大,电绝缘性能差,在制造无线电陶瓷时不允许β- Al2O3 的存在。

γ- Al2O3 是氧化铝的低温形态,由制备工业氧化铝的中间产物———氢氧化铝经煅烧而得。其结构疏松,易于吸水,且能被酸碱溶解,性能不稳定,不适于直接用来生产氧化铝陶瓷可采用适当的添加剂对γ-Al2O3 进行高温煅烧,使γ- Al2O3 不可逆转的变为α-Al2O3 (950~1 500 ℃> ,此过程伴随着14. 3 %的体积收缩,使用煅烧收缩后得到的α- Al2O3 生产氧化铝陶瓷,有利于产品尺寸的控制和减少产品的开裂。

1. 4 氧化铝原料的应用途径

氧化铝除了作为陶瓷原料的主要成分,在陶瓷行业中广泛应用外,在其他行业也有广泛用途。按氧化铝制备过程的主要产品简单介绍如下:

铝矾土→直接用于制备陶瓷、耐火材料等

(约含Al2O3 60 %~85 % ,矿物组成以一水硬铝石为主>

↓化学法

氢氧化铝→用于制备陶瓷色釉料等

↓煅烧

高级宝石及←工业氧化铝(γ- Al2O3 > →用于制备陶瓷色釉料

透明刚玉↓↓铝锭冶炼等

电弧炉熔融↓↓煅烧

用于制造高级耐火材←电熔刚玉α- Al2O3 →用于制备高

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