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低溫燒結氧化鋁陶瓷技術發展與應用

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低溫燒結氧化鋁陶瓷技術發展與應用

【摘要】:
氧化鋁陶瓷是第一個實現透明的陶瓷材料,它對可見光和紅外光具有良好的透過性,同時也具有高溫強度大、耐熱性好、耐腐蝕性強及電阻率大等特點,已經在能源、機械、軍工、電子、半導體、醫學等高技術領域得到越來越多的應用。?目前,對于降低氧化鋁陶瓷燒結溫度方面的研究較多,歸納起來主要有以下幾個方面:??(1)提高原料粉體的細度和活性?;诒砻鎻埩ψ饔迷?,采用粒度小、比表面積大、表面活性高的氧化鋁細晶為原料可以

 

   氧化鋁陶瓷是第一個實現透明的陶瓷材料,它對可見光和紅外光具有良好的透過性,同時也具有高溫強度大、耐熱性好、耐腐蝕性強及電阻率大等特點,已經在能源、機械、軍工、電子、半導體、醫學等高技術領域得到越來越多的應用。

 目前,對于降低氧化鋁陶瓷燒結溫度方面的研究較多,歸納起來主要有以下幾個方面:

 

 

(1) 提高原料粉體的細度和活性。基于表面張力作用原理,采用粒度小、比表面積大、表面活性高的氧化鋁細晶為原料可以顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度;

(2) 采用特殊燒結工藝。目前主要采用的低溫燒結工藝包括熱壓燒結、熱等靜壓燒結、微波加熱燒結、微波等離子體燒結以及放電等離子體燒結等,可以起到降低燒結溫度的作用;

(3) 添加燒結助劑。采用不同的設計配方,在原料中引入添加劑,通過不同的作用機理實現氧化鋁陶瓷的低溫燒結。

      由于降低原料粉體粒度需要采用不同的預處理工藝,原料成本高、工藝復雜,而特殊燒結技術往往要消耗能源,同時部分燒結方式難以控制燒結體形狀,在不添加任何助劑的情況下制得的氧化鋁陶瓷性能較差;因此,與其他方法相比,燒結助劑法具有成本低、效果好、工藝簡便的優點,而且通過摻雜改性技術可以大幅 提高氧化鋁陶瓷的機電性能,是目前最有效的一種低溫燒結方法。

                                                         

                         (氧化鋁陶瓷種類 )

燒結助劑的作用機理

       燒結是通過加熱使原料粉體產生顆粒粘結、經過物質遷移使粉末體產生強度并導致致密化和再結晶的過程。普通陶瓷粉體之所以難于燒結,原因就在于其晶格能較高、晶體結構穩定,質點擴散需要較高的活性,即燒結激活能大,因此需要較高的溫度。為了達到促進燒結的目的,一方面可考慮活化晶格,降低燒結激活能,主要通過摻雜破壞穩定的晶格結構使得晶體中產生缺陷或者引起晶格畸變來實現;另一方面可考慮加速擴散過程,主要通過在體系中產生液相,液相通過表面張力作用產生顆粒粘結并填充氣孔,同時利用“溶解-沉淀”機理,通過液相傳質作用使溶解的小晶粒逐漸在大晶粒表面沉積,達到促進燒結的效果。

 

燒結助劑對氧化鋁陶瓷燒結效果的影響

     對于氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術中采用燒結助劑的方法人們很早就開始進行了大量的研究。根據各種陽離子結構的不同,其降低燒結溫度的機理也各不相同,主要分為以下四種: 與氧化鋁形成固溶體、燒結過程中形成低共熔體系、與氧化鋁生成新相及原料中含有低熔點的玻璃相。

 

幾種常用的低溫燒結復合助劑

      在實際生產中,單一助劑往往不能同時滿足其燒結和機電性能的要求,一般情況下單一助劑在降低燒結溫度的同時會導致陶瓷性能的降低,因此,采用多種不同助劑組成的復合添加劑要比單獨使用其中一種助劑更為常見。

在選配復合助劑時一般要遵循以下原則: 

(1)不同助劑之間應具有協同促進燒結的作用,多種助劑復合添加與單一助劑相比可以更好的降低燒成溫度; 

(2)不同助劑之間最好不發生反應,否則會減弱或抵消其促燒作用; 

(3)不同助劑之間可以起到相互補充的作用,一種助燒劑在促進燒結的同時對材料性能產生的不利影響可以由另一種助劑進行彌補,故一般根據燒結助劑的作用往往選擇將可以降低燒結溫度的助劑與可以改善燒結體顯微組織結構和燒結性能的其他助劑搭配使用。

      在具體選用不同助劑組成復合助劑的時候,一般形成低共熔體系的添加劑主要以玻璃形成體如SiO2為主,輔以玻璃中間體Al2O3、BeO、ZnO等和玻璃調整體 MgO、Li2O、BaO、CaO、Sr2O等形成 MgO-Al2O3-SiO2 ( MAS),CaO-Al2O3-SiO2(CAS),Li2O-Al2O3-SiO2(LAS) 等系統。對于高純氧化鋁陶瓷,通常都選用 MgO 作為基本的燒結助劑進行添加,但是MgO的高溫揮發性會使陶瓷表面產生大的晶粒。由于稀土元素添加劑可以在添加量極低的情況下很大程度地減小氧化鋁的晶界長大速率,現在多采用 MgO 和 La2O3 或 Y2O3 等復合的形式加入到氧化鋁陶瓷中。目前,比較常用的復合助劑主要有 CaO-MgO-SiO2 體系、MnO2-TiO2-MgO 體系以及 CuO-SiO2 體系。

                               (氧化鋁陶瓷熱噴涂工藝)

結論

      在氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術中,采用添加劑的方法降低燒結溫度的效果是非常顯著的,同時,還可以 起到細化晶粒、穩定結構、改善材料力學性能等作用。不同添加劑的作用機理不同,實際生產中,往往采用多種助劑復合使用的方式,可以更好地促進氧化鋁陶瓷的低溫燒結,氧化鋁陶瓷低溫燒結助劑的研究仍然以復合助劑為主,其發展趨勢一方面是完善現有的復合助劑體系,尋求更優的助劑組合方式及其用量關系; 另一方面是研究開發新的體系以期達到更好的效果,其中低熔點玻璃粉相的助劑以及稀土氧化物的研究報道還比 較少,但其具有添加量少、燒結性能好等優勢,若加以深入研究有望在氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術領域得到 更好的應用。目前,燒結助劑法在陶瓷低溫燒結方面的應用越來越廣泛,研究領域也取得了很多階段性的進展,但仍存在很多不足。在實際應用方面,至今尚未形成一個成熟的體系,在燒結助劑的選擇上大多以實驗 經驗為主,缺乏相關的理論基礎,而且材料的研究與工藝的選擇及器件的設計未能有效的結合。在理論研究方面,缺少低溫燒結動力學分析,另外在微觀結構與材料性能的內在聯系方面的研究還不深入。因此,系統研究燒結助劑的相關理論,以達到通過不同的性能要求來設計和選擇燒結助劑的目的是今后助劑法低溫燒 結陶瓷材料的一個重要的研究方向。

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