【原创】让氧化铝陶瓷的烧结温度降下来,你试试从这4个方面入手


来源:中国粉体网   山川

[导读]  随着科技的发展,对工程材料的性能也提出了新的要求,氧化铝陶瓷由于性能优异而得到广泛应用。然而由于烧结温度高,需要消耗大量的能源,对热工设备的要求也高,因而在一定程度上限制了它的使用范围。从节约能源、降低排放量、保护环境的角度出发,氧化铝陶瓷的低温烧结技术成为了重要的研究方向。

中国粉体网讯  随着科技的发展,对工程材料的性能也提出了新的要求,氧化铝陶瓷由于性能优异而得到广泛应用。然而由于烧结温度高,需要消耗大量的能源,对热工设备的要求也高,因而在一定程度上限制了它的使用范围。从节约能源、降低排放量、保护环境的角度出发,氧化铝陶瓷的低温烧结技术成为了重要的研究方向。


(图片来源于网络)


目前,对于降低氧化铝陶瓷烧结温度方面的研究较多,归纳起来主要有4个方面:提高原料粉体的细度和活性;优化配方体系;采用特殊烧结工艺;添加烧结助剂。


下面我们就从这4个方面阐述一下如何降低氧化铝陶瓷烧结温度。


提高原料粉体的细度和活性


对原料进行制备时,最重要的是控制所制得的粉末原料的粒径。粒径应该微细,因为烧结是通过表面张力来使物质迁移而得到实现。高温氧化物较难烧结,原因之一是它们有较大的晶格能和较稳定的结构状态。质点迁移需要较高的活化能,即活性较低。采用晶粒小,比表面积大,表面活性高的单分散超细Al2O3粉料,由于颗粒间扩散距离短,只需要较低的烧结温度和烧结活化能。


表一:粉体颗粒尺寸与烧结温度的关系(烧结扩散活化能Q=418KJ/mol)



目前,制备超细活化易烧结Al2O3粉体的方法分为两大类,一类是机械法,另一类是化学法。机械法是用机械外力作用使Al2O3粉料颗粒细化,常用的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等,其中砂磨是制备超细陶瓷粉体的有效途径之一。通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积,尽管是有效的,但有一定限度,通常只能使粉料的平均粒径小至1μm左右或更细一点,而且有粒径分布范围较宽,容易带入杂质的缺点。


近年来,采用湿化学法制备超细高纯粉体技术得到较快发展,其中较为成熟的是溶胶-凝胶法,可以制备传统方法无法制备的材料。溶胶高度稳定,可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中,通过进一步脱水形成均匀的凝胶(无定形体),再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。


优化配方体系


氧化铝陶瓷Al2O3含量范围为75%~99%(质量比),特别是常用的95氧化铝瓷,为了达到致密化和降低烧结温度常引人可形成玻璃液相的助烧剂(如CaO、SiO2、MgO等),氧化铝陶瓷液相烧结的常见组成体系有CaO-Al2O3-SiO2体系、MgO-Al2O3-SiO2体系、CaO-MgO-Al2O3-SiO2体系。


对于上述三个体系的比较,在氧化铝含量相同时,MgO-Al2O3-SiO2体系优点是抗酸性好,结构中晶粒细小,但是烧结温度往往比CaO-Al2O3-SiO2体系烧结温度高,CaO-MgO-Al2O3-SiO2体系配方具有烧成温度低、晶粒较小、纤维结构较致密、抗酸碱腐蚀的能力强等优点,是一种比较理想的配方体系。


特殊烧结工艺


1、热压烧结


采用热压烧结工艺,在对坯体加热的同时进行加压,烧结不仅是通过扩散传质来完成,此时塑性流动起了重要作用,坯体的烧结温度将比常压烧结低很多,因此热压烧结是降低陶瓷烧结温度的重要技术之一。就氧化铝瓷而言,常压下普通烧结必须烧至1800℃以上,热压烧结则只需要烧至1500℃左右。


2、热等静压烧结


热等静压烧结也是一种成型和烧成同时进行的方法,它是对坯体加热同时对其施加各向同性等静压的烧结,它的最大特点是能在较低的烧成温度(仅为熔点的50%-60%)下,在较短的时间内得到各向完全同性,几乎完全致密的细晶粒陶瓷制品,但是热等静压烧结需要对素坯进行包封,设备和工艺控制都较复杂,产品成本高,生产效率低,所以也很难实现工业化生产,只是用来研究和生产传统工艺无法解决的新材料。


3、微波加热烧结


它是利用微波与介质相互作用,因介电损耗而使陶瓷坯体表面和内部同时加热而烧结。微波烧结不同于普通的烧结,气热流方向是由里向外的,有利于坯体内的气体向表面扩散并溢出。同时微波使粒子的活性提高,易于迁移,从而促进致密化过程。与常规烧结方法相比,陶瓷微波烧结方法能加速加热和烧结,因内外整体加热,温度场均匀,热应力小,且具有能效高,无污染等优点。


4、微波等离子体烧结


微波等离子体烧结由于快速加热,减小了由于表面扩散(主要发生在传统烧结的低温阶段)而引起的晶粒粗化,为晶界扩散和体积扩散提供了较强的驱动力和较短的扩散途径,从而导致了陶瓷显微结构的细化。


添加烧结助剂


烧结助剂可以形成晶间液相或与基体形成固溶。对于烧结助剂的作用机制是烧结助剂形成的晶间液相有利于晶界迁移,并且能够加快烧结时物质的传输速率。而烧结助剂与基体形成的固溶,可以促进缺陷数量的增加,达到活化晶格促进致密化的目的。近来,有研究报道表明可通过在Al2O3引入添加剂,在Al2O3陶瓷中原位生成片晶,起到类似晶须对材料强韧化的作用,片晶分布均匀,与基体物理、化学相容性好,大大提高了材料的力学性能;另外,通过加入添加剂和预埋晶种可以获得织构化的显微结构。


就烧结助剂来说,归纳起来有两类:



1、与Al2O3低温生成液相的添加剂


与Al2O3低温生成液相的添加剂此类添加剂有SiO2、MgO、CaO、BaO、SrO等碱土金属的氧化物,它们多为立方密堆积、NaCl型晶体结构。


2、与Al2O3晶体生成固溶体的添加剂

可与Al2O3晶体生成固溶体的添加剂有:TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等,它们的晶格常数与Al2O3相差不大,大多含变价元素,可与Al2O3形成不同类型的固溶体,且变价作用增强了晶格缺陷,活化了晶体,使该基体容易烧结。


参考来源:

[1]周新星.氧化铝陶瓷烧结助剂研究概述

[2]单达文.关于降低氧化铝陶瓷烧结温度的研究

[3]王珍等.影响氧化铝陶瓷低温烧结的主要因素

[4]蔡晓峰.氧化铝陶瓷的低温烧结技术

[5]刘建红等.氧化铝陶瓷低温烧结技术的探讨


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作者:山川

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