【原创】烧结助剂是啥?它是如何让氧化铝陶瓷”降温”的?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  由于Al2O3的熔点高达2050℃,氧化铝陶瓷的烧结温度也较高,这就需要消耗大量的能源,而且对设备的要求也较高。所以,降低氧化铝陶瓷的烧结温度非常重要。

中国粉体网讯  众所周知,氧化铝陶瓷由于其具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性良好等优异的性能,而且原料来源广泛、价格低廉,在电子、航空、机械、纺织、化工、建筑等领域得到了非常广泛的应用。然而,由于Al2O3的熔点高达2050℃,氧化铝陶瓷的烧结温度也较高,这就需要消耗大量的能源,而且对设备的要求也较高。所以,降低氧化铝陶瓷的烧结温度非常重要。


(图片来源于网络)


目前降低氧化铝陶瓷烧结温度的方法很多,比如降低氧化铝粉的粒度、采用特殊的烧结工艺、添加烧结助剂等。



烧结助剂的作用机理


烧结是通过加热使原料粉体产生颗粒粘结、经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。普通陶瓷粉体之所以难于烧结,原因就在于其晶格能较高、晶体结构稳定,质点扩散需要较高的活性,即烧结激活能大,因此需要较高的温度。




常用烧结助剂体系


在实际生产中,单一助剂往往不能同时满足其烧结和机电性能的要求,一般情况下单一助剂在降低烧结温度的同时会导致陶瓷性能的降低,因此,采用多种不同助剂组成的复合添加剂要比单独使用其中一种助剂更为常见。


1、CaO-MgO-SiO2体系


采用这一体系的烧结助剂,可在1500~1550℃左右合成氧化铝基陶瓷。MgO对氧化铝陶瓷的细晶显微结构起了重要作用,MgO在烧结中能维持CaO/SiO2比,即维持烧结系统中的液相量,并有尖晶石、镁铝硅酸盐、铝硅酸盐、铝酸盐等多种第二相晶体生成,对晶界移动具有钉扎作用,它们有效地抑制了晶粒的生长;同时引入了少量的La2O3、Sm2O3等稀土氧化物,使Al2O3陶瓷的烧结温度下降大约30℃,其表面显微结构也有所改善,这主要是由于La2O3和Sm2O3为网络变性离子,能够分解熔体网络而促进烧结。


2、MnO2-TiO2-MgO体系


通过加入MnO2-TiO2-MgO复相添加剂,在1300℃下可以获得相对密度为95%的氧化铝陶瓷,其中MnO2可以促进烧结,而MgO起到了显微结构稳定剂的作用,在MnO2和MgO含量一定的情况下,加入少量TiO2可使氧化铝烧结获得良好的力学性能,再加入过量的TiO2反而使强度降低。


3、CuO-TiO2体系


这一体系助剂具有良好的低温烧结特性。经研究发现,当掺入CuO-TiO2时,添加剂系统以形成液相的形式促进氧化铝烧结,添加剂含量的增加有助于氧化铝陶瓷的致密化,当CuO∶TiO2为1∶2、添加量为2wt%的时侯,在1300℃就能在无压烧结情况下达到99%的相对密度,并通过烧结动力学研究得到氧化铝样品的激活能为25.2kJ/mol,表明可能是铝离子和氧离子的扩散过程控制了氧化铝陶瓷的烧结。在此添加剂中继续掺入SiO2后,在1400℃时生成了各向异性晶粒,可以改善其断裂韧性。


总结


近年来学者们针对烧结助剂的研究已经做了大量工作,在满足低温烧成Al2O3陶瓷的同时,也在不断提高其机械性能和电性能。但目前的研究成果大部分主要还集中在实验室阶段,与实际生产联系得不够紧密。降低复合烧结助剂的制造成本,不同成形工艺对烧结助剂的不同要求,低熔点烧结助剂氧化物之间的作用机理,烧结助剂在不同温度段的基础理论等方面还有待进一步研究。


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