由于氧化鋁熔點高達2050℃,導致氧化鋁陶瓷的燒結溫度普遍較高(參見表一中標準燒結溫度),從而使得氧化鋁陶瓷的制造需要使用高溫發熱體或高質量的燃料以及高級耐火材料作窯爐和窯具,這在一定程度上限制了它的生產和更廣泛的應用。因此,降低了氧化鋁陶瓷的燒結溫度,降低能耗,縮短燒成周期,減少窯爐和窯具損耗,從而降低生產成本,一直是企業所關心和急需解決的重要課題。當前各種氧化鋁瓷的低溫燒結技術,歸納起來,主要是從原料加工、配方設計和燒成工藝等三方面來采取措施,下面分別加以概述。
1、通過瓷料配方設計摻雜降低瓷體燒結溫度
氧化鋁陶瓷的燒結溫度主要由其化學組成中氧化鋁的含量來決定,氧化鋁含量越高,瓷料的燒結溫度越高,除此之外,還與瓷料組成系統、各組成配比以及添加物種類有關。因此,在保證瓷體滿足產品使用目的和技術要求的前提下,我們可以通過配方設計,選擇合理的瓷料系統,加入適當的助燒添加劑,使氧化鋁陶瓷的燒結溫度盡可能降低。
目前配方設計中所加入的各種添加劑,根據其促進氧化鋁陶瓷燒結的作用機理不同,可以將它們分為形成新相或固溶體的添加劑和生成液相的添加劑二大類。
第一類:與氧化鋁形成新相或固溶體的添加劑
這類添加劑是一些與氧化鋁晶格常數相接近的氧化物,如TiO2、Cr2O3、fe2O3、MnO2等。這類添加劑促進氧化鋁瓷燒結的作用具有一定的規律性:
A、能與氧化鋁形成有限固溶體的添加劑較形成連續固溶體的添加劑的降溫作用更大;
B、可變價離子一類添加劑比不變價的添加劑的作用大;
C、陽離子電荷多的、電價高的添加劑的降溫作用更大。
需要注意的是,由于這類添加劑是在缺少液相的條件下燒結的(重結晶燒結),故晶體內的氣孔較難填充,氣密性較差,因而電氣性能下降較多,在配方設計時要加以考慮。
第二類:燒成中形成液相的添加劑
這類添加劑的化學成分主要有SiO2、CaO、MgO、SrO、BaO等,它們能與其它成分在燒成過程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成溫度低,因而大大地降低了氧化鋁瓷的燒結溫度。當有相當量(約12%)的液相出現,固體顆粒在液相中有一定的溶解度及固相顆粒能被液相潤濕時,其促進燒結作用也更顯著。其作用機理在于液相對固相表面的潤濕力及表面張力,兩者使得固相顆?拷⑻畛錃饪。
2、通過降低氧化鋁粉體的粒徑,提高粉體活性來降低瓷體燒結溫度。
粉體具有較高的表面自由能。粉體的這種表面能是其燒結的內在動力。因此,Al2O3粉體的顆粒越細,活化程度越高,粉體就越容易燒結,燒結溫度越低。在氧化鋁瓷低溫燒結技術中,使用高活性易燒結氧化鋁粉體作原料是重要的手段之一,因而粉體制備技術成為陶瓷低溫燒結技術中一個基礎環節。
目前,制備超細活化易燒結氧化鋁粉體的方法分為二大類,一類是機械法,另一類是化學法。
此外,燒結過程中因細小有缺陷的晶體表面活性大,故在液相中的溶解度要比大晶體的大得多。這樣,燒結過程中小晶體不斷長大、氣孔減小、出現重結晶。為了防止因重結晶使晶粒過分長大,影響陶瓷的機械性能,在配方設計中需考慮選用一些對晶粒增大無影響甚至能抑制晶粒增大的添加物,如MgO、CuO和NiO等。
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