氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的制造與性能研究

張海林+林同智

摘 要：隨著人們對(duì)陶瓷的燒結(jié)過程、結(jié)晶構(gòu)造等方面的不斷深入研究，陶瓷產(chǎn)品的制造工藝和產(chǎn)品性能得到了質(zhì)的飛躍。人們發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣電阻大、耐磨、耐腐蝕、彈道性能高等一系列優(yōu)良性能，在各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，成為先進(jìn)材料科學(xué)發(fā)展中極具代表性的產(chǎn)品。氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的制造與性能也給材料學(xué)帶來了新的課題，有很多需要探討的地方。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷 制造 性能

中圖分類號(hào)：TQ174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（a）-0128-02

材料科學(xué)是當(dāng)代科技的重要分支，在高科技的發(fā)展中起著基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用。而對(duì)新材料的研究既是社會(huì)發(fā)展的需要，也是科技進(jìn)步的內(nèi)在需求。隨著陶瓷制造工藝的不斷進(jìn)步，人們已制造出由許多微小晶粒結(jié)合成的結(jié)晶態(tài)陶瓷，并發(fā)現(xiàn)微晶氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能、電氣性能極其出色，進(jìn)而迅速擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，在石油、化工、建筑安裝、電子電器等行業(yè)被大量使用，市場需求增長強(qiáng)勁，成為陶瓷材料中重要的研究對(duì)象。

1 簡介

氧化鋁陶瓷（Alumina Ceramics）是以α-Al2O3為主晶結(jié)合成的陶瓷產(chǎn)品，其Al2O3的含量一般會(huì)在75%以上。人們通常以配料中Al2O3的含量對(duì)其進(jìn)行分類，其中：Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”，因Al2O3燒結(jié)溫度較低，所以75瓷的成本較其他氧化鋁陶瓷低，但因其性能相比不明顯，現(xiàn)已基本不再采用了。

Al2O3含量在85%左右的為“85瓷”，在制造85瓷的過程中，常在配料中摻入滑石粉等粉料，以提高陶瓷產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度與電性能。85瓷常用于制作電真空裝置器件。

Al2O3含量在95%左右的為“95瓷”，主要用作耐腐蝕、耐磨部件。

Al2O3含量在99%左右的為“99瓷”，99瓷具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)良性能，可用于制作特殊耐火器件、特殊耐磨器件，比如陶瓷軸承、陶瓷爐管、陶瓷坩堝等。

Al2O3含量在99.9%以上的是“高純型氧化鋁陶瓷”，這種陶瓷的燒結(jié)溫度高達(dá)1 650 ℃以上，并具備透射性，可用于制作鈉燈管等器件；也可用于制作集成電路基板、高頻絕緣材料等電子工業(yè)基礎(chǔ)器件。

2 制造工藝

2.1 原料制備

氧化鋁在地殼中含量非常豐富，在巖石中平均含量為15.34%，是自然界中僅次于SiO2存量的氧化物。應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的氧化鋁主要有2種，即工業(yè)氧化鋁和電熔剛玉。

工業(yè)氧化鋁一般是以含鋁量高的天然礦物鋁土礦、鋁石和高嶺土為原料，通過堿法、多采用拜爾法等化學(xué)方法處理，除去硅、鐵、鈦等雜質(zhì)，制備出氫氧化鋁，再經(jīng)煅燒而制得。工業(yè)氧化鋁是白色松散的結(jié)晶粉末，平均粒徑介于40～70μm之間，孔隙率大約為30%。

電熔剛玉是以工業(yè)氧化鋁或富含鋁的原料在電弧爐中熔融、緩慢冷卻、析晶出來的晶體，Al2O3的含量可達(dá)99%以上，Na2O含量可減少至0.1%～0.3%。電熔剛玉的礦物組成主要是α-Al2O3，屬三方柱狀晶體，晶體結(jié)構(gòu)中氧離子形成六方最緊密堆積，鋁離子則在6個(gè)氧離子圍成的八面體中心，是氧化鋁各種型態(tài)中最穩(wěn)定的晶型。由于α- Al2O3具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕、介電性好等優(yōu)良特性，用α- Al2O3為原料制備的氧化鋁陶瓷材料，其機(jī)械性能、高溫性能、介電性能及耐化學(xué)腐蝕性能都非常優(yōu)異。

不同的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品與不同的成型工藝對(duì)氧化鋁粉料有不同的要求，若制造高純型氧化鋁陶瓷產(chǎn)品，氧化鋁粉料的純度要在99.99%以上，并需要對(duì)其進(jìn)行超細(xì)粉碎，使氧化鋁顆粒均勻分布。若采用注射成型工藝和擠壓成型工藝，氧化鋁粉料中還需要摻入粘結(jié)劑和可塑劑，以利于成型的操作。若采用半自動(dòng)或全自動(dòng)干壓成型，則需要對(duì)粉料使用噴霧造粒法進(jìn)行處理，使粉料呈圓球狀，以提高粉料的流動(dòng)性，便于自動(dòng)充填和成型。

2.2 成型

氧化鋁陶瓷的成型是將氧化鋁原料制作成陶瓷坯體的過程，成型的方法較多，有注漿法、注射法、干壓法、擠壓法、冷等靜壓法、熱壓與熱等靜壓成型法等多種方法。不同的形狀、尺寸與精度的產(chǎn)品需要不同的成型方法。

其中，注漿成型是最早被采用的方法，因該方法主要使用石膏模為模具進(jìn)行漿料澆注成型，所以使用這種方法制造氧化鋁陶瓷的成本低，并且可以制作外形復(fù)雜以及尺寸較大的產(chǎn)品。注漿成型技術(shù)的關(guān)鍵是制備漿料，一般是使用水對(duì)氧化鋁粉料進(jìn)行溶解，并加入適量解膠劑、粘結(jié)劑，對(duì)混合漿料進(jìn)行充分研磨、排氣，最后注入石膏模內(nèi)。由于石膏模的毛細(xì)管會(huì)吸附漿料中的水分，漿料會(huì)在模內(nèi)慢慢固化成型。為減少坯體的收縮，應(yīng)制備和使用高濃度漿料。

干壓成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)，為氧化鋁陶瓷的市場化推廣提供了生產(chǎn)基礎(chǔ)。但干壓成型技術(shù)僅能生產(chǎn)形狀單純的標(biāo)準(zhǔn)件，并對(duì)制品的規(guī)格有限定，即內(nèi)壁厚度要超過1 mm，長度與直徑之比小于4∶1。在干壓過程中，模具充填時(shí)粉體顆粒的均勻分布狀況、充填量是否精準(zhǔn)對(duì)氧化鋁陶瓷制品的質(zhì)量、尺寸、精度等性能的影響很大。經(jīng)實(shí)踐，當(dāng)氧化鋁粉體的顆粒介于60～200μm之間可取得最佳成型效果。

2.3 燒結(jié)

燒結(jié)是將陶瓷坯體在高溫下進(jìn)行致密，最終形成固體材料的一種技術(shù)。當(dāng)前市場上使用最廣泛的裝置是電爐。常見的燒結(jié)方式有3種：常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)。其中：熱壓燒結(jié)可以連續(xù)生產(chǎn)，提高了氧化鋁陶瓷生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量，但熱壓設(shè)備的購置成本和模具費(fèi)用與其他方法相比較高，經(jīng)濟(jì)效益不佳。其次，熱壓燒結(jié)需要限制陶瓷制品的尺寸。熱等靜壓燒結(jié)是使用高溫高壓氣體對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行壓縮致密的方法，該方法具有受力、受熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，非常適合形狀復(fù)雜的制品的成型。使用該種方法燒成的陶瓷材料，其性能要比冷壓燒結(jié)的產(chǎn)品性能提高30%以上，比一般熱壓燒結(jié)產(chǎn)品的性能提高10%以上，因此一些高附加值的產(chǎn)品及特殊的零部件均采用熱等靜壓燒成方法，如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等制品。

2.4 精加工與封裝工序

有些氧化鋁陶瓷材料在燒結(jié)后需要進(jìn)一步精加工，比如對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行拋光或鍍膜，以增強(qiáng)其光潔度及力學(xué)強(qiáng)度。加工或精加工結(jié)束后，一般使用塑料等容器進(jìn)行封裝。

3 性能

氧化鋁陶瓷的主要性能有：（1）硬度大。氧化鋁陶瓷的洛氏硬度為HRA80-90，僅次于金剛石。（2）耐磨性能好。氧化鋁陶瓷的耐磨性能良好，經(jīng)測定，其耐磨性是錳鋼的260余倍，是高鉻鑄鐵的170余倍。（3）重量輕。氧化鋁陶瓷密度的為3.5 g/cm3，僅為鋼鐵密度的一半。（4）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性。（5）具有極好的耐高溫性。氧化鋁陶瓷在極高溫的環(huán)境中仍可正常使用，使用溫度可以達(dá)到1 300 ℃。

4 結(jié)語

氧化鋁陶瓷具有穩(wěn)定的理化性能和十分優(yōu)異的機(jī)電性能，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高，各種高性能的氧化鋁陶瓷新材料、新產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)，但仍有很多指標(biāo)需改善，有很多特性等待大家共同去研究、開發(fā)。同時(shí)，對(duì)氧化鋁陶瓷新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用將是材料科學(xué)未來發(fā)展的重要分支。

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