氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷
摘要：本文介绍了氧化铝陶瓷的结构、制备、性能及用途。

关键字：氧化铝陶瓷、Al2O3
正文：
一、氧化物陶瓷简介
按照传统的分类方法，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷（精细陶瓷），这两类陶瓷间没有严格的界限，有的陶瓷品种可以一种多用。

工业Al2O3，是由铝矾土(Al2O·3H20)和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法来制备。

电熔刚玉即是用上述原料加碳在电弧炉内于2000—2400℃熔融而制得，也称人造刚玉。

Al2O3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即Al2O3 、Al2O3 、Al2O3 。

其结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为Al2O3。

Al2O3属尖晶石型(立方)结构，氧原子呈立方密堆积，铝原子填充在间隙中，在高温下不稳定，力学性能、电学性能差，在自然界中不存在。

由于结构疏松，因此，也可用它来制造某些特殊用途的多孔材料。

Al2O3是一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物。

它的化学组成可以近似地用RO·6 Al2O3和R2O·11 Al2O3来表示(RO指碱上金属氧化物，R2O指碱金属氧化物)，其结构由碱金属或碱土金属离子如[NaO]-层和[Al11O12]+类型尖晶石单元交叠堆积而成。

氧离子排列成立方密堆积，Na+完全包含在垂直于c轴的松散堆积平面内，在这个平面内可以很快扩散，呈现离子型导电现象。

Al2O3属三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体，在自然界只存在Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。

Al2O3结构最紧密、活性低、高温稳定。

它是三种形态中最稳定的晶型，电学性能最好，具有良好的机械和电学性能，一般氧化铝陶瓷都由Al2O3来制取。

二、氧化铝陶瓷的制造工艺
氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其氧化铝含量一般在75％～99％之间。

习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类，氧化铝含量在75％左右的为"75瓷”，含量在99％的为“99瓷”等。

刚玉·莫来石瓷的氧化铝含量在70％以上，刚玉瓷的氧化铝含量在90％以上，一般刚玉瓷和刚玉—莫来石瓷称为氧化铝瓷。

氧化铝陶瓷根据不同类型、不同性能要求，以及产品的不同形状、大小和厚薄等，制造方法也有所不同，但大体经过下列工艺过程：
1．氧化铝的预烧
由于工业氧化铝原料通常Al2O3，因此，用氧化铝粉末制成氧化铝陶瓷前，必须对氧化铝粉末进行预烧，或称为煅烧。

(1)预烧的目的
预烧可以排除氧化铝原料中的氧化钠，提高原料的纯度及产品质量。

(2)预烧的方法
从实际情况来说，预烧方法不同，添加物不同，气氛不同，温度不同，预烧质量也不一样。

因此，预烧是氧化铝陶瓷生产中一个重要的环节。

工业Al2O3的预烧通常要加入适量的添加物，如H3BO3、NH4F、A1F3等，加入量一般为o．3％一3％。

主要目的是为了除去碱法生产工业氧化铝时含有的杂质Na2O。

预烧质量与预烧温度有关。

预烧温度偏低，就不能完全转变成Al2O3，若预烧温度过高，就发生烧结，不易粉碎，且活性降低。

气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大。

温度在1450℃以下，在不同气氛中预烧Al2O3，
其Na2O 的含量也不相同。

(3)预烧质量的检验
①染色法
由于Al2O3是多孔的球体结构，吸附染料能力强，所以通过吸附染料的多少可判断Al2O3转化的程度。

未转化完全的Al2O3染色深，转化完全的Al2O3染色浅。

这种方法使用较简便，但不能作定量测定。

②光学显微镜法
此法是根据折射率的不同来判断转化的情况。

一般采用折射率为1.730的二碘甲烷作测定折射率用油。

在偏光显微镜下。

如果测得折射率小于1．730的则属于Al2O3。

③密度法
根据Al2O3预烧后的密度来估算Al2O3所占的数量，从而判断预烧Al2O3质量的好坏。

2．配方
氧化铝陶瓷根据其应用要求不同，配方组成也不同。

通常依照Al2O3含量的不同，分为75瓷、80瓷、 95瓷、99瓷等。

表6—2列出了按主晶相矿物名称分类的氧化铝陶瓷及其相组成。

表2—1 按主晶相矿物名称分类的陶瓷及其相组成
3. 磨细
预烧过的Al2O3需要进行磨细。

Al2O3的颗粒细度对产品性能有很大的影响。

根据资料介绍，对刚玉瓷，大于4μm 的颗粒应很少，因为当5μm 的颗粒含量大于10％～15％时，就会影响到它的烧结性；小于1μm 的颗粒应为15％一30％，若大于40％，烧结时会出现二次重结晶，晶粒发育较大。

球磨工艺，一般有两种方法，即湿磨和干磨。

一般来说湿磨效率较高。

干磨时需要加入助磨剂，如油酸等，加入量一般为1％～3％，其目的是防止粘结，起表面改性作用，提高球磨效率。

4．成型
瓷料类别 Al 2O 3含量（%） 相 组 成
结晶相 玻璃相
莫来石瓷 45～70 莫来石含量55%～90%，一
般不含刚玉（有时含10%～
20%刚玉）
10%～40% 刚玉—莫来石瓷 70～90 莫来石和刚玉总含量
80%～90%
10%～20% 刚玉瓷 90～99.9 刚玉含量80%～100%，一
般不含莫来石（或只含10%
莫来石晶体） 10%～20%以下
氧化铝陶瓷的成型方法通常是根据产品的形状、厚薄、大小及性能要求进行选择。

成型方法不同，选择的制备原料也不同。

5．烧结
烧结对氧化铝陶瓷的密度及结构影响很大，并进而影响到产品的性能。

一般认为获得微晶结构有利于提高氧化铝陶瓷性能，因此，有人主张采用高温快速烧结。

当然还要根据产品的大小和厚薄来确定具体的工艺，一般大型和厚胎制品升温速度要慢，时间要长，否则易产生开裂现象。

影响氧化铝陶瓷烧结性能的因素有：
（1）烧成制度的影响
采用两种烧成制度进行实验，1是表示通常的烧成制度；2是以每分钟10℃速率升温到850℃试样开始产生收缩为止，然后再控制升温速率，使试样以恒定的收缩率进行烧成。

从实验结果可以看出，通常的烧成制度不够理想，在1530℃时才能得到相对密度为99．o％的坯体，晶粒尺寸为0．2～4μm。

控制升温速率的烧成制度较好，在1445℃就可以得到相对密度为99．3％的坯体，晶粒尺寸为1～1．5μm。

这是由于实验2按照收缩的情况来控制升温速率，不会使早期致密化的速率过大，也不会过早地封闭气孔，气体不会排不出来。

(2)烧成气氛的影响
对烧结致密性来说，氧的气压愈低愈有利于烧结。

以在氩气中烧结最好，其次是在氢气、氨气、氧气、氮气和空气中。

对其晶粒长大的作用来说，以在氨气中最显著，其次是在氢气、氧气、氮气、空气和氩气中。

从坯体的致密性和晶粒长大的情况进行综合分析，显然，应以在氩气中烧结为最佳，其次是在空气中烧结。

(3)成型方法的影响
不同的成型方法对氧化铝陶瓷的烧结性能影响也不同。

一般来说，注浆成型的坯子难以烧结。

等静压成型的坯子容易烧结，致密性好，性能也好，而且能降低50～100℃的烧结温度。

热压法更能在较低的温度下烧结，而且能获得接近于理论密度的制品。

(4)添加剂对烧结性能的影响
纯氧化铝陶瓷实际上是很难烧结的，而且温度高，达到1800℃。

但是根据产品的不同性能，加入不同类型和不同量的添加剂，可以降低烧成温度，促进烧结。

添加剂可以分为两类：一类能与Al2O3生成固溶体，一类能形成液相。

第一类添加剂如：TiO2、Cr2O3、Fe2O3和MnO2等，这类氧化物的晶格常数与Al2O3相接近，能与之生成固溶体，由于变价作用产生缺陷，活化晶格，促进烧结。

加入量0.5%～1.0%，可降低烧结温度150～200℃。

第二类添加剂如高岭土、石英、氧化钙、氧化镁等。

你与其他添加剂生成二元、三元或更复杂的低共融物（液相），因液相对固相表面湿润能力与表面张力作用，使固相粒子靠近并填充气孔。

在烧结过程中，有缺陷的细小晶体表面活性大，溶解度也大，小晶体不断长大，气孔减少，出现重结晶，一般不超过100微米，对材料的强度和性能有利。

加入量视氧化铝的不同种类而异。

三、氧化铝陶瓷的性能与用途
1．氧化铝陶瓷的性能
氧化铝陶瓷的主晶相是刚玉(Al2O3)晶相，它在配方中的含量高低对氧化铝陶瓷的性能产生很大的影响。

Al2O3含量高，陶瓷的烧成温度也高。

随着Al2O3含量的增加，陶瓷的机械强度也提高。

Al2O3含量对其电性能有显著的影响，其规律为：随着Al2O3含量的增加，电容率和比体积电阻提高，介电损耗(tgδ)降低，而且介电常数(ε)和介电损耗(tgδ)随频率的增加而
减少。

导热系数则随Al2O3含量的增加而提高。

2．氧化铝陶瓷的用途
由于氧化铝陶瓷的机械强度较高，绝缘电阻大，硬度大，耐磨、耐腐蚀及耐高温等的性能，因此，它可以用作电子陶瓷，如真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘瓷等。

利用其强度高和硬度大等性能作为结构陶瓷有其广阔的应用前景，如用作磨料、磨具、刀具和造纸工业用刮刀；纺织瓷件(导丝轮、假捻器)；耐磨的球阀、轴承、喷嘴、柱塞、缸套、抽油阀门及各种内衬等。

利用其化学稳定性良好的性能，可以用作化工和生物陶瓷，如人工关节、铂金坩埚代用品、催化载体及航空、磁流体发电材料等。

它广泛应用于纺织、煤矿、石油、化工、电力及建筑等各个行业。

随着科学技术的发展及制造技术的提高，氧化铝陶瓷新品种将不断涌现，在现代工业和现代科学技术领域中将会获得越来越广泛的应用。

它是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。

参考文献：
1、B. H. Kear, Navel Research Review, Four 1994,pp. 4-14.
2、林鴻明、林中魁，”奈米科技應用研究與展望”，工業材料179 期，90 年11 月，84-91 頁。

3、Phys. Rev. 108, 1175–1204 (1957)，Theory of Superconductivity
4、Physical Review B, vol.50, no.6, p.4260-4263, Aug 1, 1994, Superconductivity up to 164 K in HgBa2Cam-1Cu2m+2+ō(m=1,2, and 3) under quasihydrostatic pressures。