氧化铝陶瓷综述

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2011年10月

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氧化铝陶瓷综述

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摘要：本文简述了氧化铝陶瓷的功能及在各行业的应用，详细论述了氧化铝陶瓷的制备、成型及烧结方法。

关键词：氧化铝陶瓷制备成型烧结应用

以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷。它属于无机非金属材料，具有特殊用途，新的性能，故也称特种陶瓷、高性能陶瓷。氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产销量最大的陶瓷新材料。

1氧化铝的同质多晶变体及其性能简介

根据研究报道，Al2O3有12种同质多晶变体[1]，但应用较多的主要有3种，即α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3，这3种晶体的结构不同，故它们的性质具有

很大的差异[2]。

（1）α-Al2O3是三方晶系，单位晶包是一个尖的菱面体，密度为 3.96～4.01g/cm3，其结构最紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能也最佳，在一定条件下可以由其它的两种晶体转换而来。

（2）β-Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物，密度为 3.30～3.63g/cm3，它的化学组成中含有一定量的碱土金属氧化物和碱金属氧化物，并且还可以呈现离子型导电。

（3）γ-Al2O3是尖晶石型立方结构，在950～1200℃范围内转化为α-Al2O3，密度为3.42～3.47g/cm3。它的氧原子呈立方紧密堆积，铝原子填充在间隙中，这就决定了它在高温下不稳定、力学和电学性能差的缺陷，在科学应用中很少单独制成材料使用。但它有较高的比表面积和较强的化学活性，经过技术改进可以作为吸附材料使用。

由于β-Al2O3和γ-Al2O3在高温(950～1200℃)下易转化为α-Al2O3，而陶瓷的制备又须经高温烧结，所以氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料。

2氧化铝陶瓷的功能简介

氧化铝陶瓷具有热稳定和化学稳定性，电绝缘性、压电性、耐腐蚀性、化学吸附性、生物适应性、吸声性和透光性等多种有实用价值的性能和功能，见表1。

功 能 应 用

{ 集成电路芯片、封装、火花塞

Na-S 电池固体电解质、氧气传感器

光学功能 高压钠蒸汽灯发光管，激光器材料

化学功能 控制化学反应、净化排出气体、催化剂载体、

耐腐蚀材料、固酶载体

生物体功能 人工骨、人工牙根

吸声功能 吸声板

热学功能 耐热、隔热结构材料

力学功能

研磨材料、切削材料、轴承、机械精

密零部件

3氧化铝陶瓷的原料制备

在制备Al 2O 3原料方面，如果对于纯度要求不高的Al 2O 3，一般是通过化学方法来制备。以铝土矿为原料，通过烧结、溶出、脱硅、分解、煅烧等步骤，把铝土矿中的Al 2O 3成分溶解于氢氧化钠（NaOH ）溶液中，将得到的偏铝酸钠（NaAlO 2）溶液，冷却至过饱和态，加水分解就会析出氢氧化铝（Al(OH)3）沉淀，再将它煅烧即可得到Al 2O 3。但在制备高纯度Al 2O 3原料时一般采用有机铝盐加水热分解法、铝的水中放电氧化法、铝的硫酸盐和氨碳酸盐热分解法、铵明矾热分解法等[3]。目前国内外大多数学者都采用铵明矾热分解法，因为此方法制备的Al 2O 3纯度高、细度小(约1m μ以下)，且颗粒分布范围窄、团聚程度轻。

3.1氧化铝粉体的制备

预烧过的Al 2O 3需要粉碎磨细。超细、活性高的Al 2O 3粉体制备是获得细晶而高强氧化铝陶瓷的首要条件。Al 2O 3粉体颗粒越细，活性越大，可促进烧结，制成的陶瓷强度也越高。小颗粒还可以分散由于刚玉和玻璃相线膨胀系数不同在晶界处造成的应力集中，减少开裂的危险性；细的晶粒还能妨碍微裂纹的发展[4]，不易造成穿晶断裂，有利于提高断裂韧性，还可提高耐磨性。所以。降低Al 2O 3粉体粒度，有利于制备高性能的Al 2O 3制品。制作氧化铝陶瓷的微粉最佳粒度为0.1～1m μ。粉磨后粉体间由于重力、粘附力和颗粒间作用力的作用使粉体团聚。团聚会影响烧结质量，通常加入适当的分散剂，增加粉体均匀性，选择适当粉体加工方法，以减弱或消除颗粒间的作用力，从而减弱或消除团聚体[5]。

细颗粒含量在一定范围内有利于提高氧化铝陶瓷性能，但是当<1m μ颗粒含量大于40%时易造成重结晶，晶体发育过大，气孔易封闭在晶粒内，使性能变坏。电学功能 绝缘性 离子导电性 表1 氧化铝陶瓷的功能

而颗粒粗又易造成难以烧结，当>5m

颗粒含量大于10%～15%时，对烧结有明显的妨碍作用[6]，因此，大小颗粒应合理级配。

4氧化铝陶瓷的成型工艺

4.1模压成型

模压成型是利用压力将干粉在模型中压成致密坯体的一种成型方法。模压成型过程简单、缺陷少。由于压力作用，坯体晶粒接触面大，有利于晶界移动，故烧结致密度高，但致密度不均匀。模压成型有时会出现粉体与模壁粘结的现象，可加入1%～2%硬脂酸等润滑剂。此法适合批量生产薄板制品。

4.2等静压成型

该成型方法所得坯体干燥时收缩均匀，不易开裂、分层，解决了模压成型中的不足。故等静压成型可生产形状复杂、较大的制品。

4.3注浆成型

该法的关键是制得性能良好的Al2O3浆料。为减少坯体收缩，应尽量使用高密度浆料；浆料要有良好的悬浮性、流动性、稳定性，通常要加入适当的添加剂来改善浆料的性能。此法可以用于复杂形状制品的成型，但不适于成型壁厚悬殊、厚大截面制品，且坯体密度不高，石膏模使用时间长，其尺寸精度会下降，同时制品收缩难以控制。

4.4凝胶注模成型

凝胶注模成型是将含有有机单体的低粘度、高固相含量的陶瓷料浆浇注到不吸水的模型中，然后在引发剂和催化剂的作用下，使料浆中的有机单体交链聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化。它可以使固相体积分数达50%～60%。一般情况下。为保证凝胶固体的性能。溶液中有机单体总含量不宜过多。应控制在15%～20%范围内交联单体／凝胶单体比例＜1／10为宜。

凝胶注模成型坯体气孔分布窄、均匀，为单峰分布，可克服烧结时的不均匀收缩，提高氧化铝陶瓷制品的可靠性，制备的陶瓷生坯可以加工，使加工成本降低，工件烧结后就可以使用[7]，且工艺过程短，所用设备低廉，制作成本低，加上模具多次重复使用仍能保持精度，这对要求密度均匀、精度好、形状复杂、尺寸大的陶瓷件的制作尤为有利。

4.5热压铸成型

此工艺适合制造形状较复杂,精度要求高的中小型产品该设备简单。操作方便，生产效率高，模具磨损少，寿命长。但工序复杂，耗能大，工期长，由于不易充满模腔，不宜制备壁薄的大而长的制品。

5氧化铝陶瓷的烧结方法

5.1常压烧结法

即在大气条件下将坯体烧结的过程。此法烧结温度较高，对窑炉要求也较高，