氧化铝陶瓷的烧结教材
烧结细晶氧化铝陶瓷的新方法
烧结细晶氧化铝陶瓷的新方法作者:肖长江来源:《佛山陶瓷》2009年第01期摘要致密的氧化铝陶瓷可用三种方法烧结得到。
从SEM照片可看出:样品比较致密,样品的相对密度大于93%,用两步法和两段法烧结得到的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸小于400nm, 用常规方法烧结得到的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸约为650nm。
而且,用两步法和两段法烧结时烧结温度低于常规烧结。
实验结果表明:两步法和两段法烧结能得到细晶的氧化铝陶瓷。
关键词细晶氧化铝陶瓷,两段法烧结,两步法烧结,显微结构1引言氧化铝陶瓷具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性,而且原料来源广泛,制造成本低,是用来制造多种高强度、耐磨损、耐高温等高性能陶瓷部件的基础材料,尤其在结构陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷等领域占有重要的地位,被广泛用于机械电子、医药、食品、石油、化工、航空、航天等领域。
但是氧化铝陶瓷同样具有陶瓷的高脆性、较差的抗热震性和低断裂韧度等缺点,限制了它在许多领域的应用[1~2]。
多年来,各国学者一直在寻找提高陶瓷韧性的方法,提出了多种增韧补强机理,如颗粒弥散增韧、相变增韧、微裂纹增韧、协同增韧等[3~4]。
其中发现控制晶粒长大、降低烧结温度、提高致密化程度等方法是改善氧化铝陶瓷材料的力学性能和使用性能的重要途径。
在高压下,可以用压力来抑制晶粒的长大以得到细晶甚至纳米陶瓷[5],但是在无压的条件下,如何控制晶粒的长大是个重要的课题。
本文以30nmAl2O3纳米粉体为原料,用常规烧结和新颖的两种烧结方法:两步法和两段法来烧结致密的Al2O3陶瓷,并对得到的样品微观结构和密度进行了对比。
2实验部分2.1 原材料实验所用的30nm的α相氧化铝,由杭州万景新材料有限公司生产,其技术指标见表1。
2.2 烧结工艺为了得到致密的氧化铝陶瓷,将30nm的氧化铝粉先在室温下加粘结剂5%的PVA溶液,然后在20MPa的压力下压成直径为10mm、厚度为1mm的坯体。
烧结过程中采用以下三种方法:第一种方法是用两段法烧结,将压好的坯体在马弗炉中以较低的温度下保温一段时间后再在较高的温度下保温较长的时间,然后自然冷却;第二种方法是用两步法烧结,具体的烧结过程是将压好的坯体先升温到较高的温度下不保温,然后以较快的冷却速率降低到较低的温度长时间保温,再自然冷却;第三种方法采用常规烧结,就是坯体以相同的升温速率升到设定的温度然后保温设定的时间,再自然冷却。
氧化铝陶瓷烧结动力学
如图2所示,假定颗粒是圆的,温度升高,颗粒界面相互融合,形成勃颈并不断扩大,颗粒径距缩短,气孔变小并逐渐排除,晶粒长大,体积收缩,最后形成致密体。从以上的分析可以看出,固相反应的关键是迁移,提高质点的迁移速度和效率,就能有效地促进烧结和致密过程;反之,就起阻碍作用。
3.2
3.2.1
氧化铝陶瓷烧结动力学
学号:************姓名:赵现堂
1.
氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷。因为其三大优越的性能:第一,硬度大。经中科院上海硅酸盐研究所测定,其洛氏硬度为HRA80-90,硬度仅次于金刚石,远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能;第二,耐磨性能极好。经中南大学粉末冶金研究所测定,其耐磨性相当于锰钢的266倍,高铬铸铁的171.5倍。根据某公司跟踪调查,在同等工况下,可至少延长设备使用寿命十倍以上;第三,重量轻。其密度为3.5g/cm3,仅为钢铁的一半,可大大减轻设备负荷。所以,在现代社会氧化铝陶瓷的应用已经越来越广泛,满足于日用和特殊性能的需要。氧化铝陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐腐蚀,其中氧化铝陶瓷以其优良的特性如耐酸碱性、耐磨性、耐电性、机械强度高等,在工业化生产中得到了广泛的应用。
深入研究氧化铝陶瓷的生产技术及其发展,服务于生产和社会需要就显得相当重要。在氧化的。坯体烧结后,制品的显微结构及其内在性能发生了根本的改变,很难通过其它办法进行补救。因此,深入研究氧化铝陶瓷的烧结技术及影响因素,合理选择理想的烧结制度确保产品的性能、分析烧结机理、研究添加剂工作机理等对氧化铝陶瓷生产极有帮助,为氧化铝陶瓷的更广泛应用提供理论依据。
2
注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形复杂的部件。注浆成型的关键是氧化铝浆料的制备。通常以水为熔剂介质,再加入解胶剂与粘结剂,充分研磨之后排气,然后倒注入石膏模内。由于石膏模毛细管对水分的吸附,浆料遂固化在模内。空心注浆时,在模壁吸附浆料达要求厚度时,还需将多余浆料倒出。为减少坯体收缩量、应尽量使用高浓度浆料。
《陶瓷材料的烧结》课件
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用,实现资源的循环利用,降 低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步,烧结设备的性能和效率也将得到提升,为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响,未来将大力研发环保型的陶瓷 材料,如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术,降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放, 实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度,影响材料的 机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少,与材料的 强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和 显微结构,硬度高的陶瓷耐磨、 耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力,与材 料的成分、显微结构和制备工艺 有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性,适用于航天器结构材料,如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展,对陶瓷材料性能的要求越来越高,未来 将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能 的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外,未来还将开发出具有多种功能如 导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装
氧化铝陶瓷的微波烧结
《硅灰石、氧化铝、钛酸钙等陶瓷材料制备》实验报告---------------氧化铝陶瓷的微波烧结1、引言1.1氧化铝陶瓷材料的结构、性能及应用背景1.11氧化铝陶瓷材料的结构氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在75~99.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,含量在85%左右称作“85瓷”,含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
氧化铝有α(刚玉型)、β、γ、δ等11种变体,其中主要是α、γ两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即α氧化铝。
而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。
它们的结构各不相同。
1.12氧化铝陶瓷材料的性能及应用背景(1)机械强度高:氧化铝烧结后的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。
氧化铝的成分愈纯,强度愈高。
强度在高温下可维持到900℃。
利用氧化铝陶瓷的这一性质可以制成装置瓷和其他机械构件。
(2)电阻率高,电绝缘性好:氧化铝的常温电阻率约为1015Ω·cm,绝缘强度15Kv/mm,利用其绝缘性和强度可制成各种基板、管座、火花塞和电路外壳等(3)硬度高:莫氏硬度为9,加上优良的抗磨损性,所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。
用A12O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时,可以以高的切削速度获得高的精度。
(4)熔点高,抗腐蚀:氧化铝的熔点为2050℃,能较好地抵抗一些熔融金属的侵蚀,可用作耐火材料、炉管,热电偶保护套等。
(5)化学稳定性好:许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与A12O3作用。
因此A12O3可制备人体关节、人工骨等生物陶瓷材料。
(6)光学特性:氧化铝陶瓷可以制成用于高压纳灯的透明陶瓷灯管。
透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050℃,能在1600℃的环境里不受钠蒸气的腐蚀,而且可以通过95%的光线。
【精品文章】氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
一、氧化铝陶瓷简介
氧化铝陶瓷材料。
具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能。
同时其生产原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势,故已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业,成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
氧化铝陶瓷是一种以α氧化铝为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在75~99.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,含量在85%左右称作“85瓷”,含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
99瓷氧化铝瓷材料主要用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等;95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件;85瓷中由于常掺入部分滑石,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件。
氧化铝有α(刚玉型)、β、γ、δ等11种变体,其中主要是α、γ两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即α氧化铝。
而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。
它们的结构各不相同。
氧化铝陶瓷
二、氧化铝陶瓷低温烧结技术
由于氧化铝熔点高达2050℃,导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高(参见表一中标准烧结温度),从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体。
氧化铝陶瓷的制备实验指导书
结构陶瓷的制备通常由所需起始物料的细粉,加入一定的结合剂,根据合适的配比混合后,选择适当的成型方法,制成坯体。
坯体经干燥处理后,进行烧结而得到。
坯体经烧结后,宏观上的反映为坯体有一定程度的收缩,强度增大,体积密度上升,气孔率下降,物理性能得到提高。
实验目的:1.选用氧化铝粉体,通过干法成型,制备氧化铝陶瓷。
2.选用合适的烧结助剂,促进氧化铝陶瓷的烧结,加深对陶瓷烧结的理解。
3.熟悉陶瓷常用物理性能的测试方法实验原理:氧化物粉体经成型后得到的生坯,颗粒间只有点接触,强度很很低,但通过烧结,虽在烧结时既无外力又无化学反应,但能使点接触的颗粒紧密结成坚硬而强度很高的瓷体,其驱动力为粉体具有较高的表面能。
但纯氧化铝陶瓷的烧结需要的温度很高,为在较低的温度下完成烧结,需要向体系中加入一定的助烧剂,使其能在相对较低的温度下出现液相而实现液相烧结。
本实验中,采用向氧化铝粉体中加入适量的二氧化硅粉体以促进烧结,而达到氧化铝陶瓷烧结的目的。
实验仪器:天平、烧杯、压力机、模具、游标卡尺、电炉等实验步骤:1.配料。
将氧化铝、氧化锆粉体按80:20的质量比例混合均匀,并外加入5%的水起结合作用。
2.制样。
称取适量混合好的粉体,倒入模具内,压制成型。
并量尺寸,计算生坯的体积密度。
3.干燥。
将成型好的生坯充分干燥。
4.烧结。
将干燥后的生坯置于电炉内,在1600℃的条件下保温3小时。
5.检测。
测量烧后试样的尺寸,计算其体积密度。
计算烧结前后线变化率。
1.实验目的2.实验仪器3.实验数据记录及数据处理起始物料的配比;结合剂的加入量;烧结前后试样的体积密度及质量变化;烧结前后的线变化率。
4.思考题:1)助烧剂的作用机理是什么?2)常用体积密度的测试方法有哪几种?实验二 氧化铝陶瓷材料力学性能的检测为了有效而合理的利用材料,必须对材料的性能充分的了解。
材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。
物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。
《氧化铝陶瓷》课件
REPORTING
目 录
氧化铝陶瓷简介氧化铝陶瓷的制备方法氧化铝陶瓷的性能氧化铝陶瓷的应用案例氧化铝陶瓷的未来发展与挑战
PART
01
氧化铝陶瓷简介
REPORTING
定义
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷材料。
特性
具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高绝缘性等优点,同时具有较好的热稳定性和化学稳定性。
导航系统
电子封装
氧化铝陶瓷因其高导热性、绝缘性和化学稳定性等特点,被用于制造电子封装材料,保护和支撑集成电路和其他电子元件。
高压电容器
氧化铝陶瓷具有高介电常数和低损耗等特点,被用于制造高压电容器,用于电力系统和电子设备中。
传感器和执行器
氧化铝陶瓷因其敏感性和稳定性等特点,被用于制造传感器和执行器等电子器件,如气敏传感器、压力传感器等。
表面处理技术
表面处理技术是提高氧化铝陶瓷性能的重要手段之一。目前,氧化铝陶瓷的表面处理技术还存在一些问题,如涂层附着力差、耐磨性差等。因此,需要加强表面处理技术的研究和开发,提高氧化铝陶瓷的表面性能。
增材制造技术
增材制造技术是一种新型的制造技术,具有个性化、高效、低成本等优点。氧化铝陶瓷在未来发展中可以与增材制造技术相结合,实现快速、精确、低成本的制造,拓展其应用领域。
机械工业
用于制造各种轴承、密封件、泵件等机械零件,具有高耐磨、耐腐蚀的特性。
电子工业
用于制造电子元件、集成电路封装、电子器件等,具有高绝缘、耐高温的特性。
航空航天
用于制造飞机发动机部件、航天器结构件等,具有高强度、轻质、耐高温的特性。
化学工业
用于制造各种耐腐蚀、耐磨损的管道、阀门、反应器等化工设备。
氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介一、氧化铝陶瓷简介氧化铝陶瓷材料,具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能。
同时其生产原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势,故已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业,成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
氧化铝陶瓷是一种以α氧化铝为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在75~99.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,含量在85%左右称作“85瓷”,含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
99瓷氧化铝瓷材料主要用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等;95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件;85瓷中由于常掺入部分滑石,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件。
氧化铝有α(刚玉型)、β、γ、δ等11种变体,其中主要是α、γ两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即α氧化铝。
而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。
它们的结构各不相同。
氧化铝陶瓷二、氧化铝陶瓷低温烧结技术由于氧化铝熔点高达2050℃,导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高(参见表一中标准烧结温度),从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具,这在一定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。
因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度,降低能耗,缩短烧成周期,减少窑炉和窑具损耗,从而降低生产成本,一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
当前各种氧化铝瓷的低温烧结技术,归纳起来,主要是从原料加工、配方设计和烧成工艺等三方面来采取措施,下面分别加以概述。
1、通过降低氧化铝粉体的粒径,提高粉体活性来降低瓷体烧结温度。
氧化铝陶瓷的两步法烧结工艺研究
氧化铝陶瓷的两步法烧结工艺研究氧化铝陶瓷的两步法烧结工艺通常包括两个主要步骤:制备氧化铝粉末坯体和烧结制备成陶瓷。
这两个步骤有助于获得高强度、高硬度、高绝缘性能的氧化铝陶瓷。
以下是这个工艺的一般步骤:第一步:制备氧化铝粉末坯体1. 氧化铝粉末选择:•选择高纯度、细颗粒的氧化铝粉末,通常选择平均粒径较小的粉末。
2. 配料:•根据所需的性能,将氧化铝粉末与其他可能的添加剂进行混合。
添加剂可以是稳定剂、增塑剂等,有助于提高坯体的成型性能。
3. 成型:•使用注塑、压制等成型工艺,将混合物成型成所需形状的坯体。
4. 脱脂:•对坯体进行脱脂处理,去除混合物中的有机物,以防止在烧结过程中产生气泡。
5. 预烧:•进行预烧处理,将坯体在较低的温度下烧结,以增强坯体的强度和稳定性。
6. 检查与修整:•对预烧后的坯体进行质量检查,修整可能存在的缺陷。
第二步:烧结制备成陶瓷1. 定型:•对经过预烧的坯体进行最终成型,确定最终形状。
2. 烧结:•将定型后的坯体进行高温烧结,通常在氧化铝的烧结温度范围内(约1600°C至1800°C)进行,使颗粒间发生烧结,形成致密的陶瓷结构。
3. 表面处理:•进行表面处理,如磨光、抛光等,提高氧化铝陶瓷的光洁度和外观。
4. 性能测试:•进行氧化铝陶瓷的性能测试,包括硬度、密度、导热性等方面的测试,确保产品符合设计要求。
5. 包装:•对成品进行包装,以确保在运输和使用过程中不受损。
这是一个一般性的两步法烧结工艺流程,具体的工艺细节可能会因制备陶瓷的用途、要求和厂家的技术水平而有所不同。
在实际应用中,可能还会包括其他工艺步骤以满足特定的性能要求。
氧化铝陶瓷干压坯体的烧结探讨.ppt
1.干压坯体烧结的特殊性
• 干压坯体与热压铸坯体最重要的区别是: 干压坯体含水分、有机物1.5%-4% 而热压铸坯体不含水分和有机物
造粒粉的TG/DTA曲线
含有水份和有机物的干压坯体与不含水
份和有机物的热压铸坯体有什么不同的烧结
行为? 图1为氧化铝陶瓷造粒粉在烧结的低温区 900℃之前的TG/DTA曲线。DTA(差热)曲线
今年初,某新建陶瓷企业出现了严重的瓷件阴斑情况。窑炉为推板窑。 肉眼观察到窑炉内灰蒙蒙,看不见光亮的烧成带。后加大烟囱抽力, 在烟道上加风扇抽风,炉内逐渐变得清亮。可以看到坯体释放的烟气 顺利地被烟囱抽出。瓷件阴斑逐渐变轻,大部分瓷件阴斑消失。说明 加大通风不仅保证了窑炉内完全的氧化气氛,防止有机物碳化,同时 将烟气排出,防止烟气中的有机物质的分解物、化合物在瓷件表面的 沉淀。
前言
目前,陶瓷干压工艺发展出现突飞猛进局面 ,其推力在于:
• • • • • 热压铸工艺脱蜡过程空气污染被限制 热压铸工艺工序繁杂,用工多,招工难 原料造干压成本相对降低,甚至还低于热压铸工艺
原来习惯于热压铸工艺的人们对干压工艺特 点缺乏足够的了解,以至于出现了种 种问 题:
的气体必须顺利抽出,防止其在瓷件内和表面沉淀、碳化造成瓷件阴
斑。所以要加强通风,保持窑内完全的氧化气氛。
4.烧成曲线的建议
• • 对表5作如下说明: ①300℃以前主要是水份蒸发峰值期; 750℃以前有有机物分解、挥发的峰值期 ;缓慢升温,可防止坯内分解气体形成 的高气压使坯体开裂。750℃以后可提高 升温速度,但要根据坯件大小,考虑坯 体内部的温度梯度和热传导速率,而采 用不同的升温速度。温度在坯体内分布 越均匀一致,其各部收缩才会一致。收 缩不一致时,会引起瓷件开裂或变形。 1200℃以后是成瓷收缩期,对于较大坯 件或易变形坯体更应放慢升温速度。 ②冷坯件不可以快速推进或直接装入大 于70℃的热炉中。 ③产品形状不同,炉况不同,烧成制度 也应不同。提供参数仅作参考。 ④本公司99瓷烧结温度≤1630℃;95瓷 烧结温度≤1600℃。
陶瓷材料烧结实用实用工艺和性能测试实验指导书
陶瓷材料烧结工艺和性能测试实验指导书1实验目的和意义1)了解陶瓷材料的烧结和性能检测的工艺流程,掌握吸水率,表面气孔率,实际密度,线收缩率的测定方法。
2)利用实验找出材料的最优烧结工艺,包括烧结温度和烧结时间。
2实验背景知识2.1烧结实验在粉体变成的型坯中,颗粒之间结合主要靠机械咬合或塑化剂的粘合,型坯的强度不高。
将型坯在一定的温度下进行加热,使颗粒间的机械咬合转变成直接依靠离子键,共价键结合,极大的提高材料的强度,这个过程就是烧结。
陶瓷材料的烧结分为三个阶段,升温阶段,保温阶段和降温阶段。
在升温阶段,坯体中往往出现挥发分排出、有机粘合剂等分解氧化、液相产生、晶粒重排与长大等微观现象。
在操作上,考虑到烧结时挥发分的排除和烧结炉的寿命,需要在不同阶段有不同的升温速率。
保温阶段指型坯在升到的最高温度(通常也叫烧结温度)下保持的过程。
粉体烧结涉及组成原子、离子或分子的扩散传质过程,是一个热激活过程,温度越高,烧结越快。
在工程上为了保证效率和质量,保温阶段的最高温度很有讲究。
烧结温度与物料的结晶化学特性有关,晶格能大,高温下质点移动困难,不利于烧结。
烧结温度与材料的熔点有关系,对陶瓷而言是其熔点的0.7 —0.9倍,对金属而言是其熔点的0.4-0.7倍。
冷却阶段是陶瓷材料从最高温度到室温的过程,冷却过程中伴随有液相凝固、析晶、相变等物理化学变化。
冷却方式、冷却速度快慢对陶瓷材料最终相的组成、结构和性能等都有很大的影响,所以所有的烧结实验需要精心设计冷却工-f-p乙。
由于烧结的温度如果过高,则可能出现材料颗粒尺寸大,相变完全等严重影响材料性能的问题,晶粒尺寸越大,材料的韧性和强度就越差,而这正是陶瓷材料的最大问题,所以要提高陶瓷的韧性,就必须降低晶粒的尺寸,降低烧结温度和时间。
但是在烧结时,如果烧结温度太低,没有充分烧结,材料颗粒间的结合不紧密,颗粒间仍然是靠机械力结合,没有发生颗粒的重排,原子的传递等过程,那么材料就是不可用的。
氧化铝陶瓷及其烧结
3. 1 氧化铝烧结动力学
3. 1. 1 烧结初期动力学
双球模型。
△ L
L
0
=
[
5CD3Dv ] 2/ 5õr - 6/ 5õt2/5 2 kT
( 1)
式中: K 0——两球形颗粒中心距离
△L ——烧结后收缩值
C——表面能
r ——球形颗粒半径
D3——空位体积
t ——烧结时间
Dv—— 体积扩散系数
k ——波尔兹曼常数
氧化铝陶瓷性能优良, 广泛应用于各个行业, 但其性 能主要取决于烧结。随着材料科学的发展, 对氧化铝陶瓷 烧结的研究, 尤其是氧化铝粉体及添加物对烧结的影响将 更加深入。氧化铝陶瓷的应用也将更加广泛。
图3 1600°C纯 A l2O 3和分散 ZrO 2的 A l2O 3 陶瓷晶粒生长的比较
关于添加物对烧结的影响问题, 要在保证氧化铝陶瓷 性能的前提下, 注意适当选择添加物的种类、数量和颗粒 细度, 做到添加物数量尽量多、颗粒尽量细并且均匀, 否则
关键词 氧化铝 陶瓷 烧结 团聚体
1 氧化铝的多晶转变
氧化铝有许多同质多晶体, 报导过的变体有十多种, 但主要的有 A- Al2O3、B- A l2O3、C- Al2O3三种晶型。下图 及表1列出了 Al2O3四种变体的情况。
表1 氧化铝变体情况 Table 1 The polymorphism of t he alumina
20~500°C 6. 2~7. 5 20~800°C 6. 5~8. 0
热导率 ( w / m. k ) 电阻率 ( 8 õcm ) 绝缘强度 ( K V / mm )
25. 2 105 > 20
表3 氧化铝高温结构陶瓷的主要用途 Table 3 The main uses
氧化铝陶瓷的微波烧结
《硅灰石、氧化铝、钛酸钙等陶瓷材料制备》实验报告---------------氧化铝陶瓷的微波烧结1、引言1.1氧化铝陶瓷材料的结构、性能及应用背景1.11氧化铝陶瓷材料的结构氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料,氧化铝含量一般在75~99.9%之间,通常习惯以氧化铝的含量来分类。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”,含量在85%左右称作“85瓷”,含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
氧化铝有α(刚玉型)、β、γ、δ等11种变体,其中主要是α、γ两种晶型,而且只有一种热力学稳定相,即α氧化铝。
而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。
它们的结构各不相同。
1.12氧化铝陶瓷材料的性能及应用背景(1)机械强度高:氧化铝烧结后的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。
氧化铝的成分愈纯,强度愈高。
强度在高温下可维持到900℃。
利用氧化铝陶瓷的这一性质可以制成装置瓷和其他机械构件。
(2)电阻率高,电绝缘性好:氧化铝的常温电阻率约为1015Ω·cm,绝缘强度15Kv/mm,利用其绝缘性和强度可制成各种基板、管座、火花塞和电路外壳等(3)硬度高:莫氏硬度为9,加上优良的抗磨损性,所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。
用A12O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时,可以以高的切削速度获得高的精度。
(4)熔点高,抗腐蚀:氧化铝的熔点为2050℃,能较好地抵抗一些熔融金属的侵蚀,可用作耐火材料、炉管,热电偶保护套等。
(5)化学稳定性好:许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与A12O3作用。
因此A12O3可制备人体关节、人工骨等生物陶瓷材料。
(6)光学特性:氧化铝陶瓷可以制成用于高压纳灯的透明陶瓷灯管。
透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050℃,能在1600℃的环境里不受钠蒸气的腐蚀,而且可以通过95%的光线。
Al2O3陶瓷的烧结方法
Al2O3陶瓷的烧结方法正确地选择烧结方法,是使Al2O3陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键。
如在通常的大气条件下(无特殊气氛、常压下)烧结,无论怎样选择烧结条件,也很难获得无气孔或高强度制品。
下面简介几种Al2O3陶瓷及其特种陶瓷的烧结工艺方法。
①低温烧结在尽可能低的温度下制备陶瓷是人们早有的愿望,这种方法可以降低能耗,使烧结成本降低。
低温烧结方法主要有以下两种。
(1)引入添加剂这种子选手方法根据添加剂作用机理可分为如下两类:一是添加剂的引入使晶格空位增加,易于扩散,烧结速度加快;二是添加剂的引入使液相在较低的温度下生成,出现液相后晶体能作粘性流动,因而促进了烧结。
当不存在液相时,陶瓷粉料通常是通过传质而烧结的。
实际上,理想晶体是不存在的,晶体总是存在一定数量的空位,颈部的空位浓度高,其它的部分空位浓度低,空位浓度梯度的存在,导致空位浓度高的部分(通常是两颗粒的接界处----颈部)向空位浓度低的部分扩散,而质点(离子)向相反方向扩散,使物料易于烧结,Al2O3添加TiO2、MgO、MnO等添加剂后,就显着地促进了烧结。
(2)使用易于烧结的粉料易于烧结的粉料制备方法大致分为以下两类:a通过粉料制备工艺规程;b特殊粉料制备法。
这里所指的制备工艺过程是粉料的化学组成、制备条件、煅烧条件、粉碎条件等。
由于这些工艺过程的变化,使所得的陶瓷粉料的烧结性能发生微妙的变化。
总之,随着粉末颗粒的微细化,粉体的显微结构和性能将会发生很大的变化,尤其是对微米、纳米级的粉体来说,它在内部压力、表面活性等方面都会有意想不到的性能。
因此在加速粉料在烧结过程中的动力学过程、降低烧结温度和缩短烧结时间;②.热压烧结如果加热粉体同时进行加压,那么烧结主要取决塑性流动,而不是扩散。
对于同种材料而言,压力烧结与常压烧结相比,烧结温度低的多,而且烧结体中气孔率也低。
另外,由于在较低的温度下烧结,就抑制了晶粒成长,所得的烧结体致密,且具有较高的强度(晶粒细小的陶瓷,强度较高)。
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氧化铝陶瓷的烧结摘要:随着科学技术与制造技术日新月异的发展,氧化铝陶瓷在现代工业中得到了深入的发展和广泛的应用。
本文就氧化铝陶瓷的烧结展开论述。
主要涉及原料颗粒和烧结助剂两方面,以获得性能良好的陶瓷材料,对满足工业生产和社会需求有非常重要的意义。
关键词:氧化铝;原料颗粒;烧结助剂;1 引言在科学技术和物质文明高度发达的现代社会中,人类赖以制成各种工业产品的材料实在千差万别,但总体包括起来,无非金属、有机物及陶瓷三大类[1]。
氧化铝陶瓷是目前世界上生产量最大、应用面最广的陶瓷材料之一,具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等性能,而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。
基于Al2O3陶瓷的一系列优良性能,其广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域[2]。
在氧化铝陶瓷的生产过程中, 无论是原料制备、成型、烧结还是冷加工, 每个环节都是不容忽视的。
目前氧化铝陶瓷制备主要采用烧结工艺[3],坯体烧结后,制品的显微结构及其内在性能发生了根本的改变,很难通过其它办法进行补救。
因此,深入研究氧化铝陶瓷的烧结技术及影响因素,合理选择理想的烧结制度确保产品的性能、分析烧结机理、研究添加剂工作机理等对氧化铝陶瓷生产极有帮助,为氧化铝陶瓷的更广泛应用提供理论依据,为服务生产和社会需要非常重要。
2 氧化铝陶瓷简介Al2O3是新型陶瓷制品中使用最为广泛的原料之一,具有一系列优良的性能[4]。
Al2O3陶瓷通常以配料或瓷体中的Al2O3的含量来分类,目前分为高纯型与普通型两种。
高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料。
由于其烧结温度高达1650℃~1990℃,透射波长为1μm~6μm,一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚,利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管;在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。
普通型氧化铝陶瓷系Al2O3按含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种,有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。
Al2O3陶瓷的机械强度极高,导热性能良好,绝缘强度、电阻率高,介质损耗低,其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等。
95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件,85瓷中由于常掺入部分滑石粉,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件[5]。
Al2O3有许多同质异晶体,根据研究报道至少有10多种,说法不太一致。
这些变体中最常见的是α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3三种,其余的主要是铝土矿热分解过程中的过渡相。
它们在1200℃以上几乎全部不可逆的转变为α-Al2O3[6]。
其晶体结构如图1所示,属三方柱状晶体,它是用途最广泛,原料最丰富,价格最低廉的一种高温结构陶瓷。
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,如天然刚玉、红宝石等。
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[7]。
图1 Al2O3的晶体结构3 氧化铝陶瓷的烧结烧结就是将粉末或者粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点温度,然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。
烧结的目的是使粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加,把粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体,来获得所需的物理、机械性能的制品或材料[8]。
3.1 烧结理论简述当对固态素坯进行高温加热时,素坯中的颗粒发生物质迁移,达到某一温度后坯体发生收缩,出现晶粒长大,伴随气孔排除,最终在低于熔点的温度下,素坯变成致密的多晶陶瓷材料。
烧结而导致材料致密化的基本推动力是系统表面能的下降,因为素坯中粉末颗粒(通常为亚微米级甚至纳米级)具有较大的表面积,因而有较高的表面能。
任何系统都有向最低能量状态转化的趋势,因此表面能的降低,就可作为烧结的推动力。
陶瓷烧结依据是否产生液相分为固相烧结和液相烧结。
对于离子键结合的许多烧结活性好的的氧化物超细粉末,如Al2O3、ZrO2可实现固相烧结;但对于共价键为主的非氧化物陶瓷,如Si3N4,SiC,AlN,B4C等通常要加入适量的烧结助剂,通过形成液相来实现致密烧结。
液相烧结分为颗粒重排、溶解-沉淀和后期固体骨架聚合3个阶段。
初期的颗粒重排过程为液相填充气孔,液相量越多,相对密度越大。
溶解-沉淀过程小晶粒溶解于液相中并沉积到大颗粒表面,在此过程中如液相太多,则会出现晶粒异常长大或二次再结晶[9]。
氧化铝陶瓷烧结体的显微结构如图2所示。
图2 氧化铝陶瓷烧结体的显微结构烧结过程中通常发生三种主要变化:1)晶粒尺寸及密度的增大;2)气孔形状的变化;3)气孔尺寸和数量的变化,通常使气孔率减小。
对于致密陶瓷材料,相对密度一般可达到98%以上,而对于透明陶瓷要求烧结后陶瓷内部气孔率趋近于零[10]。
烧结可以分为初期、中期和后期三个阶段,如图3所示。
图3 烧结过程示意图烧结前成型体中颗粒堆积情况,有的接触,有的分开,空隙较多;初期(a →b ):只能使成型体中颗粒重排,空隙变形和缩小,总面积不减少,不能最终填满空隙;即:烧结随温度升高和时间延长,开始产生颗粒间键合和重排,颗粒靠拢,大空隙消失,气孔总体积减少,离子间以点接触为主,总面积未缩小;中期(b →c ):是最终排除气孔,使形成致密排列。
即:开始有明显传质过程,颗粒由点接触扩大到面接触,粒界面积增加,固气表面积相应减少,空隙仍连通;后期(c →d ):一般发生了相变,使物质密度进一步增加。
随传质继续,粒界进一步扩大,气孔逐渐缩小和变形,最终转变为孤立闭气孔,颗粒界开始移动,气孔逐渐迁移到粒界上最后消失,烧结体致密度增高。
根据singh 提出的烧结初期动力学过程,研究陶瓷系统的烧结激活能的大小: k t n L L g lg lg /l 0+=∆ (1))/exp(k RT Q A -= (2) 式中:ΔL/L为样品的线收缩率;t 为烧结时间(保温时间);n 为反应级数;K 为烧结速率常数;Q 为该组成的烧结激活能;T 为绝对温度;A 为与界面张力、扩散系数和颗粒半径相关的常数;R 为气体常数。
根据Kingery W D 最早提出的烧结模型,他将烧结的中后期分为颗粒的重排和溶解-沉淀两个过程,同时他提出的烧结中后期致密理论模型如下:313431100206t r RT V Dc L L LV -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆κγδκ式中:△L/L0为样品烧结后的线收缩率;r 为颗粒直径;δ为液膜厚度;D 为扩散系数;k 1,k 2为比例系数;c 0为原始元素的浓度;γLV 为液-气表面能;R 为气体常数;T 为绝对温度;t 为烧结时间。
3.2 氧化铝陶瓷烧结工艺氧化铝陶瓷离子键较强,导致其质点的扩散系数低(Al 3+在1700℃时扩散系数仅为10-11cm 2·S -)、烧结温度高(99氧化铝的烧结温度高达1800℃)。
如此高的烧结温度使晶粒急剧生长,残余气孔聚集长大,从而导致材料的力学性能降低。
同时也使材料气密性变差,并加大对窑炉耐火砖的损害。
因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度是氧化铝陶瓷行业所关心和必需解决的问题[11]。
对于陶瓷材料,一般采用两种途径来降低其烧结温度一种途径是通过获得分散均匀、无团聚,并具有良好烧结活性的超细粉体以降低陶瓷的烧结温度;另一种降低陶瓷材料烧结温度的方法,是添加适量的烧结助剂。
3.2.1 细化原料颗粒采用晶粒小、比表面积大、表面活性高的单分散超细Al 2O 3粉料,由于颗粒间扩散距离短,仅需较低的烧结温度和烧结活化能,颗粒越细,就越容易烧结, 烧结温度也就越低。
粉体颗粒尺寸与烧结温度的关系如表1。
表1 粉体颗粒尺寸与烧结温度的关系(烧结扩散活化能 Q = 418KJ/mol )另外根据 Herring 规则,在相同的烧结温度下,具有不同颗粒尺寸(r 1,r 2)的粉料,烧结至相同的密度,各自所需的烧结时间t 1,t 2与颗粒尺寸的关系为:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2121r r n t t 4~3=n可见,颗粒越细,烧结时间越短。
粉体颗粒越细,缺陷越多,活性也越大,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,不易造成穿晶断裂,有利于提高断裂韧性;另外还可提高材料的耐磨性。
因此,降低Al2O3粉体粒度,对制备高性能的Al2O3制品具有重要意义。
目前,制备超细活化易烧结Al2O3粉体的方法分为两大类,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Al2O3粉料颗粒细化,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,其中砂磨是制备超细陶瓷粉体的有效途径之一。
近年来,采用湿化学法制备超细高纯粉体技术得到较快发展,其中较为成熟的是溶胶-凝胶法,可以制备传统方法无法制备的材料。
溶胶高度稳定,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[12]。
3.2.2 添加烧结助剂添加剂就其作用来说,归纳起来可以分为两大类:一类是与Al2O3生成固溶体,一类是能生成液相。
第一类添加剂为变价氧化物,有TiO2、Cr2O3、Fe2O3与MnO2等。
由于其晶体结构和晶格常数与Al2O3相接近,因此,通常能与Al2O3生成固溶Al2O3晶格产生缺陷,活化晶格,促进烧结。
研究表明,这类添加剂促进烧结,具有如下的规律性:第一,凡是能与Al2O3形成有限固溶体的添加剂,比形成连续固溶体的作用大,这可能是形成有限固溶体的离子半径与Al3+离子半径相差较大,这样使晶格更易变形,从而促进烧结;第二,具有可变电价的添加剂,比不能变价的添加剂的作用大;第三,凡是阳离子的电子层结构为非惰性气体型,即阳离子电价高的添加剂作用较大。
第二类添加剂其作用是由于生成液相,降低烧成温度而促进Al2O3的烧结。
这一类添加剂有高岭土、SiO2、CaO、MgO等。
氧化铝原料或多或少地带入氧化钠、氧化硅等杂质。
为了降低氧化铝瓷的烧结温度,应引入某些氧化物或硅酸盐液相。
氧化物添加剂在烧结时易形成熔剂,促进烧结。
由于出现液相,即液相对固相的表面润湿力和表面张力,使固相粒子靠紧并填充气孔。
加入的细粒外加剂,可以均匀地被Al2O3吸附,降低表面能,因而能延缓Al2O3的晶粒长大。
比较传统的Al2O3烧结添加剂是MgO。
Al2O3与MgO生成二元、三元或更复杂的低熔物。
高纯Al2O3烧结过程中加入少量MgO(加入量为0.05~0.25wt%)可有效抑制晶粒过分长大。