特种陶瓷制备工艺

特种陶瓷制备工艺

摘要：

采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工，具有优异特性的陶瓷称为特种陶瓷。由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。由于绝缘特殊，这类陶瓷可运用于高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科技技术的重要组成部分。

关键词：特种陶瓷陶瓷制备陶瓷成型陶瓷烧结

一、前言

特种陶瓷是一类采用高精度精选原料,具有能精确控制化学组成,按照便于控制的制造技术加工,便于进行结构设计,并具有优异特性的陶瓷。由于其具有良好的力学、电学、光学和生物学等特性,成为航空航天、能源、机械、电子信息和生物工程等高技术的基石,并在世界各国掀起了一股“特种陶瓷热”。特种陶瓷成型方法在特种陶瓷的制备中占有十分重要的地位,它是将陶瓷粉体转变成具有一定形状、体积和强度坯体的过程。特种陶瓷成型方法总的来说可以分为干法和湿法,近些年来固体无模成型在陶瓷成型的研究中也取得了较为快速的发展。

二、陶瓷粉体的制备

粉体的制备方法有：固相法、液相法、和气相法等。

1.固相法：

化合反应法：化合反应一般具有以下的反应结构式：

A(s)+B(s)→C(s)+D(g)

两种或两种以上的固态粉末，经混合后在一定的热力学条件和气氛下反应而成为复合物粉末，有时也伴随一些气体逸出。

钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应。等摩尔比的钡盐BaCO

3

和二氧化钛混合物粉末在一定条件下发生如下反应：

BaCO

3+TiO

2

→BaTiO

3

+CO

2

↑

该固相化学反应在空气中加热进行。生成用于PTC制作的钛酸钡盐，放出二氧化碳。但是，该固相化合反应的温度控制必须得当，否则得不到理想的、粉末状钛酸钡。

热分解反应法：

用硫酸铝铵在空气中进行热分解，就可以获得性能良好的Al2O3粉末。

氧化物还原法：

特种陶瓷SiC、Si3N4的原料粉，在工业上多采用氧化物还原方法制备，或者还原碳化，或者还原氧化。例如SiC粉末的制备，是将SiO2与粉末混合在1460～1600℃的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下：

SiO2+C→SiO+CO↑

SiO+2C→SiC+CO↑

SiO+C→Si+CO↑

Si+C→SiC

2.液相法：

由液相法制备粉末的基本过程为：

金属盐溶液→盐或氢氧化物→氧化物粉末所制得的氧化物粉末的特性取决于沉淀和热分解两个过程。热分解过程中，分解温度固然是个重要因素，然而气氛的影响也很明显。从溶液制备粉末的方法其特点是：易控制组成，能合成复合氧化物粉末；添加微量成分很方便，可获得良好的混合均匀性等。但是，必须严格控制操作条件，才能使生成粉末保持溶液说具有的、在离子水平上的化学均匀性。

3.气相法：

由气相生成微粉的方法有如下两种：一种是系统不发生化学反应的蒸发-凝聚法（PVD），另一种是气相化学反应法（CVD）

蒸发-凝聚法是将原料加热至高温（用电弧或等离子流等加热），使之气化，接着在电弧焰和等离子焰与冷却环境造成的较大温度梯度条件下急冷，凝聚成微粒状物料的方法。

气相化学反应法是挥发性金属化合物的蒸发通过化学反应合成所需要物质的方法。气相化学反应法可分为两类：一类为单一化合物的分解；另一类为两种以上化学物质之间的反应。

三、特种陶瓷的成型

特种陶瓷成型的方法有很多，主要有：注浆成型、可塑成型、模压成型、等静压成型和带式成型。

注浆成型适用于制造大型的。形状复杂的、薄壁的产品。

可塑成型时利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理浆料制成一定形状的制品。适用于成型具有回转中心的圆形产品，在传统陶瓷生产中较为普遍采用。

模具成型叫干压成型。在特种陶瓷生产中常常采用干压成型和等静压成型。其特点是粘结剂含量较低，只有百分之几，不经干燥可以直接焙烧，坯体收缩小，可以自动化生产。干压成型是将粉料加少量结合剂，按前面所讲到的造粒方法先经造粒，然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。

等静压成型又叫静水压成型，是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。即处于高压容器中的式样所受到的压力如同处于同一深度的静水中所受到的压力情况，所以叫做静水压或等静压。此方法有如下特点：（1）可以成型以一般方法不能生产的形状复杂、大件及细长的制品，而且成型质量高。

（2）可以不增加操作难度而比较方便地提高成型压力，而且压力效果比其他干压法好。

（3）由于坯体各向受力均匀，其密度大而且均匀，烧成收缩小，因而不易变形。

（4）模具制作方便、寿命长、成本较低。

（5）可以减少用或不用粘合剂。

带式成型是将准备好的粉料内加粘结剂、增塑剂、分散剂、溶剂，然后进行混合，使其均匀再把料浆放入料斗中，料浆从料斗下部流至薄膜载体上。用刮刀控制厚度，再经红外线加热等方法烘干，得到模坯，连同载体一起卷轴待用，最后按所需要的形状切割或开孔。

四、特种陶瓷的烧结

多晶陶瓷材料其性能不仅与化学组成有关，而且还与材料的显微结构密切相关。当配方、混合、成型等工序完成后，烧结是使材料获得预期的显微结构，赋

予材料各种性能的关键工序。烧结的方法也是多种多样的，有低温烧结、热压烧结、气氛烧结、电场烧结、超高压烧结等

下面介绍下氧化铝陶瓷的制作工艺：

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（AL2O3）为主体的材料，用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。需要注意的是需用超声波进行洗涤。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷。因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。

氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷系Aｌ203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1—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按Aｌ203含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Aｌ203含量在80％或75％者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、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。其制作工艺如下：

一、粉体制备：将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在１μｍ微米以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99％外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，一般为重量比在10－30％的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150－200温度下均匀混合，以利于成型操作。采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1—2％的润滑剂，如硬脂酸及粘结剂PV A。

欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Aｌ203喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度小于30℃。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。

二、成型方法：氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。近几年来国内外又开发出压滤成型、直接凝固注模成型、凝胶注成型、离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。不同的产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。

1、干压成型：氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1ｍｍ，长度与直径之比不大于4∶1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种，可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa。产量每分钟可达15—50件。由于液压式压机冲程压力均匀，故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化，易导致烧结后尺寸收缩产生差异，影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大。粉体颗粒以大于60μｍ、介于60—200目之间可获最大自由流动效果，取得最好压力成型效果。