中國粉體網(wǎng)訊 Al2O3陶瓷是目前世界上生產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的陶瓷材料之一，廣泛應(yīng)用在機(jī)械、電子、化工、航天等領(lǐng)域。但是，由于立方晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁的離子鍵性，使之熔點(diǎn)達(dá)2050℃，導(dǎo)致氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度普遍較高。
一方面，適當(dāng)?shù)奶岣邿Y(jié)溫度對氧化鋁陶瓷的各方面性能會(huì)有一定的提升作用。
另一方面，高溫?zé)Y(jié)勢必要消耗大量的能源，而且對燒結(jié)設(shè)備的要求也較高。如常見的95瓷燒結(jié)溫度大于1600℃，所需的窯具比低溫陶瓷貴，且窯具在使用中損耗較大、維修較復(fù)雜。因此，降低Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度，不僅降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源，更有利在其他領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷性能的影響
曹宇等以煅燒氧化鋁粉末為主要原料，然后分別于1500℃、1550℃、1600℃的溫度下制備氧化鋁陶瓷，結(jié)果表明：
（1）燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷的體積收縮率有很大的影響，溫度越高，體積收縮率越大。
（2）燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷的體積密度、吸水率和氣孔率均有很大影響，溫度越高，體積密度越大，吸水率和氣孔率越小。
（3）燒結(jié)溫度越高，抗彎強(qiáng)度和維氏硬度也越大。
楊爾慧等用苧麻纖維織物作為生物模板，聚合氯化鋁作浸漬液，經(jīng)過浸漬和干燥制備氧化鋁陶瓷預(yù)制體，將氧化鋁陶瓷預(yù)制體分別在1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃下進(jìn)行有氧煅燒制備出氧化鋁陶瓷。結(jié)果表明：
（1）氣孔率減小，真實(shí)密度增大。這是因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度的升高，試樣的晶粒長大的越多，使得試樣中間的空隙越小，所以氣孔率減小，真實(shí)密度增大。
（2）XＲD分析結(jié)果表明，燒結(jié)溫度越高，衍射峰變得越尖銳，非晶態(tài)組織慢慢變成晶態(tài)，說明Al2O3的結(jié)晶程度比較好。當(dāng)燒結(jié)溫度超過某個(gè)臨界值時(shí)，晶粒的平均粒徑反而減小。
（3）在不同的燒結(jié)溫度下，試樣中的氧化鋁晶粒的形貌有所不同，說明燒結(jié)溫度對所制備試樣的成形有很大的影響。
王旭東采用上海超威氧化鋁納米粉作為原料，添加不同量的ZrO2在不同燒結(jié)溫度燒結(jié)3h制備出ZTA復(fù)相陶瓷。結(jié)果表明：
（1）對于未添加ZrO2的純Al2O3燒結(jié)試樣，隨燒結(jié)溫度的升高，試樣的相對密度由1500℃時(shí)的81.73%增加到1600℃時(shí)的97.48%，有較為明顯的提升。
（2）ZrO2添加劑的加入和燒結(jié)溫度的提高，均能有效提高試樣的抗彎強(qiáng)度。
此外，燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷機(jī)電性能也有顯著影響，李宏杰研究了燒結(jié)溫度對氧化鋁基板性能的影響，結(jié)果表明：隨著燒結(jié)溫度的提高，瓷片的體積電阻率、體積密度、擊穿強(qiáng)度升高，抗折強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢，而介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切則是先降低后升高。
溫度對體積密度的影響
綜上，適當(dāng)?shù)奶岣邿Y(jié)溫度對氧化鋁陶瓷的致密度、抗彎強(qiáng)度、硬度、吸水率、氣孔率及機(jī)電性能均有一定的影響。
如何讓氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度降下來？
前面我們講到，由于燒結(jié)溫度高，需要消耗大量的能源，對熱工設(shè)備的要求也高，因而在一定程度上限制了它的使用范圍。從節(jié)約能源、降低排放量、保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，氧化鋁陶瓷的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)成為了重要的研究方向。
目前，對于降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度方面的研究較多，歸納起來主要有3個(gè)方面：提高原料粉體的細(xì)度和活性；采用特殊燒結(jié)工藝；添加燒結(jié)助劑。
1、提高原料粉體的細(xì)度和活性
對原料進(jìn)行制備時(shí)，最重要的是控制所制得的粉末原料的粒徑。粒徑應(yīng)該微細(xì)，因?yàn)闊Y(jié)是通過表面張力來使物質(zhì)遷移而得到實(shí)現(xiàn)。高溫氧化物較難燒結(jié)，原因之一是它們有較大的晶格能和較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。質(zhì)點(diǎn)遷移需要較高的活化能，即活性較低。采用晶粒小，比表面積大，表面活性高的單分散超細(xì)Al2O3粉料，由于顆粒間擴(kuò)散距離短，只需要較低的燒結(jié)溫度和燒結(jié)活化能。
粉體顆粒尺寸與燒結(jié)溫度的關(guān)系(燒結(jié)擴(kuò)散活化能Q=418KJ/mol)
目前，制備超細(xì)活化易燒結(jié)Al2O3粉體的方法分為兩大類，一類是機(jī)械法，另一類是化學(xué)法。機(jī)械法是用機(jī)械外力作用使Al2O3粉料顆粒細(xì)化，常用的粉碎工藝有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、氣流粉碎等，其中砂磨是制備超細(xì)陶瓷粉體的有效途徑之一。
近年來，采用濕化學(xué)法制備超細(xì)高純粉體技術(shù)得到較快發(fā)展，其中較為成熟的是溶膠-凝膠法，可以制備傳統(tǒng)方法無法制備的材料。溶膠高度穩(wěn)定，可將多種金屬離子均勻、穩(wěn)定地分布于膠體中，通過進(jìn)一步脫水形成均勻的凝膠（無定形體），再經(jīng)過合適的處理便可獲得活性極高的超微粉混合氧化物或均一的固溶體。
2、添加燒結(jié)助劑，優(yōu)化配方體系
燒結(jié)助劑可以形成晶間液相或與基體形成固溶。燒結(jié)助劑的作用機(jī)制是燒結(jié)助劑形成的晶間液相有利于晶界遷移，并且能夠加快燒結(jié)時(shí)物質(zhì)的傳輸速率。而燒結(jié)助劑與基體形成的固溶，可以促進(jìn)缺陷數(shù)量的增加，達(dá)到活化晶格促進(jìn)致密化的目的。近來，有研究報(bào)道表明可通過在Al2O3引入添加劑，在Al2O3陶瓷中原位生成片晶，起到類似晶須對材料強(qiáng)韌化的作用，片晶分布均勻，與基體物理、化學(xué)相容性好，大大提高了材料的力學(xué)性能；另外，通過加入添加劑和預(yù)埋晶種可以獲得織構(gòu)化的顯微結(jié)構(gòu)。
就燒結(jié)助劑來說，歸納起來有兩類：
（1）與Al2O3低溫生成液相的添加劑
與Al2O3低溫生成液相的添加劑有SiO2、MgO、CaO、BaO、SrO等堿土金屬的氧化物，它們多為立方密堆積、NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。
（2）與Al2O3晶體生成固溶體的添加劑
可與Al2O3晶體生成固溶體的添加劑有：TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等，它們的晶格常數(shù)與Al2O3相差不大，大多含變價(jià)元素，可與Al2O3形成不同類型的固溶體，且變價(jià)作用增強(qiáng)了晶格缺陷，活化了晶體，使該基體容易燒結(jié)。
3、采用特殊燒結(jié)工藝
（1）熱壓燒結(jié)
采用熱壓燒結(jié)工藝，在對坯體加熱的同時(shí)進(jìn)行加壓，燒結(jié)不僅是通過擴(kuò)散傳質(zhì)來完成，此時(shí)塑性流動(dòng)起了重要作用，坯體的燒結(jié)溫度將比常壓燒結(jié)低很多，因此熱壓燒結(jié)是降低陶瓷燒結(jié)溫度的重要技術(shù)之一。就氧化鋁瓷而言，常壓下普通燒結(jié)必須燒至1800℃以上，熱壓燒結(jié)則只需要燒至1500℃左右。
（2）熱等靜壓燒結(jié)
熱等靜壓也是一種成型和燒成同時(shí)進(jìn)行的方法，它是對坯體加熱同時(shí)對其施加各向同性等靜壓的燒結(jié)，它的最大特點(diǎn)是能在較低的燒成溫度(僅為熔點(diǎn)的50%-60%)下，在較短的時(shí)間內(nèi)得到各向完全同性，幾乎完全致密的細(xì)晶粒陶瓷制品，但是熱等靜壓燒結(jié)需要對素坯進(jìn)行包封，設(shè)備和工藝控制都較復(fù)雜，產(chǎn)品成本高，生產(chǎn)效率低，所以也很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，只是用來研究和生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝無法解決的新材料。
（3）微波加熱燒結(jié)
它是利用微波與介質(zhì)相互作用，因介電損耗而使陶瓷坯體表面和內(nèi)部同時(shí)加熱而燒結(jié)。微波燒結(jié)不同于普通的燒結(jié)，氣熱流方向是由里向外的，有利于坯體內(nèi)的氣體向表面擴(kuò)散并溢出。同時(shí)微波使粒子的活性提高，易于遷移，從而促進(jìn)致密化過程。與常規(guī)燒結(jié)方法相比，陶瓷微波燒結(jié)方法能加速加熱和燒結(jié)，因內(nèi)外整體加熱，溫度場均勻，熱應(yīng)力小，且具有能效高，無污染等優(yōu)點(diǎn)。
（4）微波等離子體燒結(jié)
微波等離子體燒結(jié)由于快速加熱，減小了由于表面擴(kuò)散（主要發(fā)生在傳統(tǒng)燒結(jié)的低溫階段）而引起的晶粒粗化，為晶界擴(kuò)散和體積擴(kuò)散提供了較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力和較短的擴(kuò)散途徑，從而導(dǎo)致了陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)化。
總結(jié)
由于較強(qiáng)的離子鍵，導(dǎo)致氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度較高，適當(dāng)?shù)奶岣邿Y(jié)溫度有利于陶瓷性能的提升。但是，過高的溫度反而會(huì)給產(chǎn)品的性能及生產(chǎn)過程帶來麻煩。因此，降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，降低能耗，縮短燒成周期，減少窯爐和窯具損耗，從而降低生產(chǎn)成本，一直是企業(yè)所關(guān)心和急需解決的重要課題。
參考來源：
[1]周新星.氧化鋁陶瓷燒結(jié)助劑研究概述
[2]單達(dá)文.關(guān)于降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的研究
[3]王珍等.影響氧化鋁陶瓷低溫?zé)Y(jié)的主要因素
[4]蔡曉峰.氧化鋁陶瓷的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)
[5]劉建紅等.氧化鋁陶瓷低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的探討
[6]曹宇等.成型壓力與燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷力學(xué)性能及其顯微結(jié)構(gòu)的影響
[7]王旭東.ZrO2添加量和燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷性能的影響
[8]楊爾慧等.燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷性能的影響
[9]李宏杰.燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷機(jī)電性能的影響
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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