高纯碳酸铝铵制备99低温易烧氧化铝陶瓷的试验研究

高纯碳酸铝铵制备99低温易烧氧化铝陶瓷的试验研究

吴兴涛

2010年12 月

目录

1. 前言 (3)

1.1 99氧化铝陶瓷的现状 (3)

1.2 99氧化铝陶瓷生产应用 (4)

1.3 99氧化铝陶瓷的研究 (5)

2.实验材料及方法 (7)

2.1 碳酸铝铵粉体制备及表征 (7)

2.2 氧化铝粉体制备、表征及分散 (7)

2.3 氧化铝陶瓷的制备 (8)

2.3.1 氧化铝陶瓷的成型 (8)

2.3.2 氧化铝陶瓷的烧结 (8)

2.4 氧化铝陶瓷的性质表征 (9)

2.5 氧化铝陶瓷的断口显微结构分析 (9)

3. 结果和讨论 (10)

3.1 粉体颗粒度对氧化铝陶瓷烧结性能的影响 (10)

3.2 分散效果对氧化铝陶瓷烧结性能的影响 (11)

3.3 烧结工艺制度对氧化铝陶瓷烧结性能的影响 (11)

3.4 粉料颗粒度、分散效果及烧结工艺制度对烧结体显微结构的影响 (12)

4. 结论 (14)

参考文献 (15)

摘要

以高纯硫酸铝铵与高纯碳酸氢铵为原料，超低浓度合成前驱体碳酸铝铵，经分解转相生成α相氧化铝粉体，对粉体实施单粒子分散技术，使α-Al2O3单晶粒径≤0.15um～0.25um之间，形状为类球形，粒度分布窄，几乎能使单晶粒子（一次粒径）完全分散不团聚，最终得到分散不团聚的高纯易烧结氧化铝陶瓷粉体。将该粉体成型试样在空气中采用无压烧结工艺，1600℃烧结成瓷，烧结密度达到理论密度（3.987g/cm3）的98.8％以上，纯度达到99.8％～99.99％。结果表明采用此工艺经分散处理后的氧化铝陶瓷粉体，最终可在1600℃实现高纯度氧化铝陶瓷的低温致密化烧结，实现高纯度氧化铝陶瓷的微晶化，即晶粒在1～6um 之间。

关键词: 高纯碳酸铝铵单粒子分散技术高纯度低温烧结致密化微晶化

1.前言

随着科学技术的飞速发展，对陶瓷材料的发展提出了更高的要求。陶瓷是用无机化合物粉料经高温烧结而成的、以多晶聚集体为基本结构的固体物质。传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物（瓷石、粘土、长石、石英砂等）为原料，经粉碎、磨细、调和、塑形、干燥、锻烧等传统工艺制作而成。虽然陶瓷中的玻璃相使其变得坚硬致密，同时也降低了陶瓷的强度。随着材料科学的发展和陶瓷制造工艺技术的不断改进，陶瓷的内部组织构造渐趋微晶化、致密化，从而使材料性能大幅度提高，以致出现新的特殊功能。在其发展过程中，由此应运而生了功能奇异的高性能先进陶瓷材料。先进陶瓷是指以人工合成的高纯度化合物为原料，采用先进的粉体处理技术，经烧结而制得的陶瓷材料，以其高纯度、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、及声、光、电、磁等优异性能而区别于传统陶瓷（日用、建筑、卫生陶瓷等）。先进陶瓷按使用性能可分为先进结构陶瓷（其使用性能主要指强度、刚度、硬度、弹性、韧性等力学性能）和先进功能陶瓷（其使用性能主要指光、电、磁、热、声等功能性能）两大类；按其化学成分又可分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、氟化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、铝酸盐陶瓷等[1]。高纯度氧化铝陶瓷也是先进陶瓷中的重要陶瓷材料之一。

以高纯碳酸铝铵为原料，采用先进的粉体处理技术，严格的工艺参数，在空气中常压低温快速烧结而得到的高致密化氧化铝陶瓷，纯度达到99.8%以上，具备了先进陶瓷多种优异性能。为氧化铝陶瓷领域提供了重要依据。

1.1 99氧化铝陶瓷的现状

99氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉（α—Al2O3）为主晶相的新型陶瓷材料。它具有机械强度高、介质损耗小、电阻率大、击穿电压高及耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能。由于氧化铝的立方晶结构的离子键性，熔点达2050℃，高温产生的液相极少，其烧结主要靠晶体的再结晶来完成，导致99氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高。不掺杂烧结助剂时氧化铝陶瓷的烧结温度高达1800℃。如此高的温度导致了两方面的困难：一是高温烧结设备制备困难；二是高温烧结使晶粒长大，气孔难以排除，使材料力学性能降低，气密性变差[1] ，所以一般在原料中加入少量添加剂来降低烧结温度。添加剂按其作用可分为2类：一类是变价氧化物[2] ，在烧结过程中与氧化铝形成固溶体，同时使氧化铝晶格产生缺陷，活化晶格，提高质点的扩散速率[3] ；另一类是氧化物助熔剂，烧结

时生成液相。

氧化铝陶瓷在制造工艺上，应当满足以下三方面的要求。①精选的原料要选用高纯度的，颗粒应尽可能的细；②严格控制化学成分。制造过程中要防止杂质混入和成分本身的挥发，对烧结件的颗粒度、界面、气孔等要严格控制，以达到质量稳定和具有再现性；③精确的形状和尺寸。氧化铝陶瓷制品一般不经加工，直接使用，特别是陶瓷电子器件要求较高的精度。

从实际情况看，含量85％氧化铝的高铝瓷烧成温度约为1500～1550℃，90刚玉瓷烧结温度一般在1550～1600℃，95瓷为1600～1650℃，99瓷在1750℃以上。这就使得高铝瓷的制造需要耗费大量的能源和高热值燃料，还需要消耗大量高温高级的耐火材料(窑具、炉材等)和高温发热元件，这在一定程度上限制了它的生产和广泛应用。且过高的烧成温度，导致烧结体主晶相晶粒异常长大，而不利于材质性能的改善和提高。由此造成国内每年消耗大量宝贵的能源，生产成本居高不下，竞争力和发展受到严重影响。

氧化铝陶瓷材料是应用得较广的陶瓷材料之一。国外对材料氧化铝的研究起步较早，尤其是在科技含量高的领域如机械加工、医学、航空航天等。而国内对氧化铝材料研究相对较晚，技术相对落后，且生产工艺较落后、技术装备不精，所以产品质量跟日本及西方发达国家相比还是存在一定的差距。因此，提高我国氧化铝陶瓷材料的研究及在高科技领域的应用已迫在眉睫。

1.2 99氧化铝陶瓷生产应用

随着科学技术的发展及制造技术的提高,氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用。氧化铝陶瓷主要使用在高技术和尖端工业，如微电子、核反应堆、航天、磁流体发电、人工骨和人工关节等方面。

1) 机械方面：氧化铝陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa, 热压产品可达500MPa，莫氏硬度可达到9。加上具有优良的抗磨损性能等，所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、陶瓷柱塞、陶瓷轴承等。

2) 电子工业方面：有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件,电子材料,磁性材料等；在透光、透波性应用方面，有用透明氧化铝陶瓷制造的高压钠灯电弧管、新型节能灯具金卤灯、高强度透明装甲材料、红外透波材料等，这些材料是民用和国防装备中的重要材料。

3) 化工方面：氧化铝陶瓷也有较广泛的用途，如氧化铝陶瓷化工填料球,氧化铝陶瓷微滤膜,氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等，其中以陶瓷膜和氧化铝涂层的研究和应用最广泛。

4) 医学方面：氧化铝陶瓷更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。它具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性，是