氧化铝陶瓷的烧结剖析教学内容

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：

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