（材料学专业论文）低温烧结氧化铝陶瓷的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 传统的氧化铝陶瓷烧成温度高达1 8 0 0 。由于烧成温度高，不仅消耗了大量 能源，而且产品的合格率低，制备成本高。因此，实现氧化铝陶瓷的低温快速烧 结是降低氧化铝陶瓷的能耗及其生产成本的关键。 本文对低温烧结氧化铝陶瓷的研究现状及其应用作了较系统的评述。研究了 v a 1 2 0 3 的煅烧工艺，并以c a o m g o - s i 0 2 一b a o z r 0 2 系统玻璃为烧结助剂，在保 证氧化铝陶瓷的性能的前提下，采用普通的工业原料或矿物原料( 方解石、石英 砂、白云石等天然矿物) ，制备了在1 4 0 0 。c 1 4 5 0 。c 下致密烧结的9 0 a 1 2 0 3 陶瓷， 其密度和耐磨性优于同类产品。用扫描电镜观察了该材料的显微结构，其晶粒平 均尺寸为2 - 3 p m 。 利用正交实验，分析确定了复合烧结助剂的最佳配方为： c a o ：m g o ：b a o ：s i 0 2 ：z r 0 2 = 3 2 5 ：1 7 5 ：1 ，5 ：4 ：1 ，它们对氧化铝烧结温度影响依次为： c a o 、b a o 、m g o 。 氧化铝粉末的细度越高、活性越高，坯体中烧结助剂的含量越多，氧化铝陶 瓷的烧成温度越低。在相同成型压力下，用等静压成型的试样强度比模压成型的 试样强度在不同温度下分别提高了6 0 8 0 ，但是试样的致密化程度没有明显区 别。实验表明，氧化铝陶瓷的最佳成型条件为：在5 0 1 0 0 m p a 下等静压成型。在 较低的烧成温度下，可通过延长保温时间来促进坯体的致密化，而在较高的烧成 温度下则不宜长时间保温，否则会因晶粒的快速长大而不利于致密化。控制氧化 铝陶瓷烧结时的升温速度有利于氧化铝陶瓷致密化。 在考察的吐温( 失水山梨醇聚氧乙烯( 2 0 ) 醚油酸酯) 、o p 一1 0 ( 辛基苯酚聚 氧乙烯醚) 及十二烷基苯磺酸钠三种球磨助剂中，作为阴离子型表面活性剂的十 二烷基苯磺酸钠对于氧化铝粉末的助磨效果最佳，在氧化铝粉末的球磨过程中加 入2 0 p p m 十二烷基苯磺酸钠作为球磨助剂，可以使9 0 氧化铝陶瓷的烧结温度降 低6 0 以上。 本文采用m i c r o s o ra c e s s 2 0 0 0 关系型数据库设计了陶瓷配方计算原料数据 库，并且采用v i s u a lb a s i c 6 0 中文企业版设计了用户界面，成功编制出了计算方 便、功能较齐全的陶瓷配方计算软件。 关键词：氧化铝陶瓷；低温烧结；烧结助剂；球磨助剂；配方计算软件 低温烧结氧化铝陶瓷的研究 a b s t r a c t t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fa l u m i n ac e r a m i c si su s u a l l yu pt o18 0 0 。c t h eh i g h s i n t e r i n gt e m p e r a t u r el c a d st om o r ee n e r g yt ob ec o n s u m e da n dl o wr a t eo ff i n i s h p r o d u c t s ，s oa st or i s et h em a n u f a c t u r i n gc o s to fa l u m i n ac e r a m i c s d e c r e a s i n gt h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fa l u m i n ab e c o m e st h ek e yt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d p r o d u c t i o nc o s to fa l u m i n a t h i sp a d e rs y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dt h ep r e s e n ts t a t u sa n dt h eu t i l i t yo ft h el o w t e m p e r a t u r es i n t e r e da l u m i n ac e r a m i c s t h e3 - a 1 2 0 3c a l c i n a t i o n st e c h n o l o g yh a v eb e e n s t u d i e d a n dt h e1 0 wt e m p e r a t u r ef 1 4 0 0 1 4 5 0 1s i n t e r e dw h i t ea l u m i n ac e r a m i c s ( a 1 2 0 3 9 0 w t ) h a v eb e e na r a i n e db yu s i n gc o n m l o ni n d u s t r i a lm i n e r a la sr a w m a t e r i a l sa n dc a o m g o s i o ，一b a o z r o ，a ss i n t e r i n ga d d i t i v e sw i t h o u tw e a k e n i n gt h e a l u m i n ac e r a m i cp r o p e r t i e s ，w h o s ed e n s i t ya n dw e a r r e s i s t a n tc a p a b i l i t yw e r eb e t t e r t h a l lt h eo t h e r s t h ea l u m i n ac e r a m i c sh a sa na v e r a g eg r a i ns i z eo f2 - 3u mb yt h e o b s e r v a t i o no fs e m f r o mt h eo r t h o g o n a l t e s t ，t h eb e s tp r o p o r t i o n sf o rt h es i n t e r i n gc o m p o u n d a d d i t i v e si s c a o ：m 9 0 ：b a o ：s i o ，：z r 0 2 = 3 2 5 ：1 7 5 ：1 5 ：4 ：l a n dt h e a b i l i t yo f 也e i r e f f e c t so nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e si sa sf o l l o w i n g ：c a o b a 0 m 9 0 w h e na l u m i n ap o w d e ri sm o r ec h e m i c a l l ya c t i v e i t sg r a i ns i z ei sf i n e ra n dt h e s i n t c r i n ga d d i t i v e si sm o r e ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e r u n d e rt h ee q u a lf o r m i n g p r e s s u r e ，c o m p a r e dt ot h es a m p l ep r e p a r e db yc o m p r e s s i o nm o u l d i n g ，t h es t r e n g t ho f s a m p l ep r e p a r e db yi s o s t a t i cc o m p a c t i o ni n c r e a s e df r o m6 0 t o8 0 a td i 虢r e n t t e m p e r a t u r e b u tt h e r ei sn or e m a r k a b l ed i f f e r e n c e i nt h ed e n s i f i c a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb e s tm o u l d i n gc o n d i t i o no fa l u m i n ac e r a m i c s w a si s o s t a t i c a l l yp r e s s e du n d e r5 0 - 10 0 m p a a tl o w e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h e d e n s i f i c a t i o no fa l u m i n ac a nb ep r o m o t e db yl e n g t h e n i n gt h eh o l d i n gt i m e ，w h i l ea t h i g h e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r et h eh o l d i n gt i m es h o u l db ec u t t i n gd o w n ，o t h e r w i s et h e g r a i ng r e wq u i c k l ya n dr e s t r a i n e dt h ed e n s i f i c a t i o no fa l u m i n ac e r a m i c s b yc o m p a r i n gt h et h r e ek i n d so fm i l l i n ga d d i t i v e sf t w e e n 一8 0 、o p 一1 0a n d n e o p e l e x ) ，n e o p e l e x ，a sa na n i o n i cs u r f a c ea c t i v ea g e n t ，h a st h eb e s ta s s i s t i n ge f f e c tt o i m p r o v i n gm i l l i n ge f f i c i e n c yo fa l u m i n ap o w d e r a d d2 0 p p mn e o p e l e xa sm i l l i n g a d d i t i v eo ft h ea l u m i n ap o w d e rc a nl o w e rd o w nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e6 0 b y t h es a m em i l l i n gt i m e a c c o r d i n gt op r a c t i c a ld e m a n d ar a w m a t e r i a ld a t a b a s ew i t hm i c r o s o f la c e s s 2 0 0 0 sr e l a t i o nt y p ed a t a b a s eh a sb e e nd e s i g n e d t h es o f t w a r ei n c l u d e sau s e ri n t e r f a c e a n dp e r f o r m st h ep r e s c r i p t i o nc a l c u l a t i o nb yv i s u a ib a s i c 6 0c h i n e s ee n t e r p r i s e t h e s o f l w a r ei sc o n v e n i e n tf o rc a l c u l a t i o na n dh a sr e l a t i v e l yc o m p l e t ef u n c t i o n s k e y w o r d s ：a l u m i n ac e r a m i c ，l o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n g ，s i n t e r i n ga i d s ，g r i n d i n g r e a g e n t s ，p r e s c r i p t i o nc a l c u l a t i o ns o f t w a r e i i 硕士学位论文 图1 1 爱2 1 图3 1 图3 2 图3 ，3 图3 4 图3 5 图3 6 圈3 7 图4 1 銎4 。2 图4 3 图4 4 曩4 5 图5 ，1 图5 2 蚕5 3 图5 4 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 5 图6 1 插图索孳l 氧化铝粉末烧结现象示意图7 氢 乞铝粉末兹粒疫分布题线圈1 4 a i ( o h ) 3 在加热过程中的过渡相2 0 a 1 2 0 3 晶烈转化关系2 0 试验用工业氧健铝耪煅烧前的x r d 结果2 l 澳洲氧化锵粉在不同硼酸添加量下缀1 3 5 0 、2 h 瑕烧后耱x r d 结 果2 2 郑州氧化铝粉和澳洲氧化铝粉分别添加1 5 w t 硼黢经1 3 5 0 、2 h 煅 烧后静x r d 结果2 3 郑州氧化铝粉添加1 5 w t 硼酸后在不同煅烧温度和保温时间下的 x r d 结果2 4 溪濒氧纯锱粉( a ) 和帮髑氧纯锾耱( b ) 分蠲添麓1 5 磷酸予1 3 0 0 。c 下、 1 5 h 后扫描电子显微镜( s e m ) 照片2 4 含a 1 2 0 3 的c a o m g o s i 0 2 系四元相图2 6 不霾配方瓣线毂缝率与浇绪显度图2 7 氧化镁含麓与密度的关系3 3 氧化钙含蹩与密度关系图3 3 氧纯锲含蕊与密度熬关蓉霾3 4 原料细度和烧结温度与试样体积密度的关系3 5 不同粒度的粉末经1 4 2 0 。c 烧结后的s e m 图像3 6 不曩氧化键羚寒匏浇缝霉亍为霾3 7 不同氧化铝粉末的s e m 照片3 8 不同成型方式对氧化铝陶瓷显微结构的影响4 l 不同温度下氧嶷二铝晦瓷髂积密菠与绦温对闯豹关系4 2 在1 4 6 0 保温不同时阔后氧化铝陶瓷的显微结构4 2 两种不同烧成制度曲线4 3 不同助剡含量对试样烧结滠度的影蛹3 9 不同球蘑助磨裁的勖黪效栗4 5 低温烧结氧化铝陶瓷的研究 图6 2 三静球磨助剩的分子结构示意图4 5 圈6 3赘磨裁含交霹氧化铝粉末平均粒度静影响4 6 图6 4 氧化铝粉末球磨4 8 h 后在1 4 2 0 。c 烧结的s e m 图4 7 图6 5不同细度的绒化铝粉末的烧结密度4 8 鹜7 1计算软件翁慧体框絮维襁5 2 图7 2 计算软件的流程图5 2 图7 3计算软件主窗口5 3 鋈7 4吾努晓诗舅器密墨5 4 图7 5 配方计算主程序5 4 图7 6维护原材料数据库窗口5 5 鏊7 7 酝粒量诗冀密爨5 5 图7 8打印预览窗口5 5 硕士学位论文 表1 1 表1 2 表2 1 表2 2 表2 ，3 表3 1 表3 2 表4 1 表4 + 2 表4 。3 表4 4 表4 5 表4 ，6 表 表 表 表 辩表索孳l a 1 2 0 3 陶瓷的基本性能1 粉俸颗瓣尺寸与烧结激发魏关系 ( 烧结扩散活化能q 一4 1 8 k j t 0 0 1 ) 9 工业氧化铝粉( v a 1 2 0 3 ) 组成1 5 烧结助赛g 酝方琢辩的缎成( w 燃) 1 5 试验用设备1 5 添加不同含量的硼酸麟氧化铝粉 煅烧后爽密度值( 1 3 5 0 ) 2 2 澳澜氯傀镐粉在不同激发下蔽浇2 h 后真密度镶2 3 9 0 氧化镅陶瓷烧结助剂配方组成2 7 正交试验的因素水平淡2 8 正交试骏表2 s 正交试验配方在不同濑度下烧结的密度值2 9 密度值正交试验分析袋3 0 正交试验激方在不蠢激发下痣缝蘑麓试释豹褰麓孤 磨耗值工e 交试验分析袭3 1 成型方式对试样密度的影响4 0 残登方式对试棰强疫瓣影稳4 0 两种烧成制度下烧结试样的密度假4 3 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声暌：袋呈交懿论文是本人在导瘿熬攒蛋下独立避行礤究掰取 得的研究成果。除了文中特剐加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作晶。对本文的研究做出重凝贡献的个 入瑟集体，均已在文中以骧确方式标胡。本久完全意谈爨本声骧鹃法律嚣暴 由本人承担。 乍者签名：0 爹谗匿絮：矽￥年明f 尹目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保罄并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阕。本人授权湖南大学可以将本学位论文麓全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位沦文瘸子 1 、保密嘣，在参年解密后邋用本授权书。 2 、不绦密目。 ( 请在瞰上相应方框内打“4 ”) 乍者签名：谵伟 导师签名：有随手 基期：冽年y 月舻目 e l 期：加够年p 月，够日 硕士学位论文 1 1 前斋 第一章文献综述 氧化铝陶瓷是一种以a 1 2 0 3 为主晶相韵陶瓷材料，典氧化铝含量一般在 7 5 9 9 之间。习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类，氧化铝含量在7 5 左右 鲍称先“7 5 ”瓷，含爨在9 9 的称鸯“9 9 瓷”。洳予氧化铝羯瓷戆原辩来源广泛， 价格褶澍便宜，使得它在电子、机械、纺织、汽车、化工、冶金等领域褥到了广 泛的应用。 表1 1a 1 2 0 3 陶瓷的然本性能1 ，2 1 t a b l el + lt h em a j o rp r o p e r t i e so f a l 2 0 3c e r a m i c s 项目低温烧结高铝陶凝高铝瓷圜标 与其他材料相比，氧化铝陶瓷的主要特点表现为：性能优良：氧化铝陶瓷 鲍枫槭强度毫，9 5 瓷憋摅弯强度可达3 8 5 m p a ；其次氧 皂铝隗瓷导热性熊嶷好， 9 9 瓷的塑温热导率达为3 7 w ( m k ) ，比氧化锚瓷的热导率2 1 w ( m k ) 要高一 个数量级。另外，氧化铝陶瓷绝缘强度、电阻率高，介质损耗低，介电常数一般 在7 - 1 0 之闽，电性能随温度和频率豹变化比较稳定，特别是纯度( a 1 2 0 3 含量) 达9 9 5 的氧他铝陶瓷，直封频率黼达l o ”h z 叛上时，t 9 5 ( 介质损耗) i x l 0 4 。 氧化铝的纂本性能如袭1 1 所示。制备工艺简单：氧化铝陶瓷成型方法众多， 可以根据产品的形状、厚薄、大小及性能要求邀行选择。注浆成型、模压成型、 等静压戒熬等常用藏黧方法郡适蠲予氧纯镭羯瓷静成型。靛能可设计：瓴仡铝 低温烧结氧化铝陶瓷的研究 陶瓷具有广阔的组成范围，不同的应用场合可以设计不同氧化铝含潼的陶瓷。 由上可知，氧化铝陶瓷由于其优良的性能，众多的制备工艺技术以及能工业 化大规模生产的优势，是一种应用范阐广阔的典壁的氧化物陶瓷，函而其醑究和 就应扇直暇弓f 着众多材耱科学工捧者关注与兴趣。 1 2 氧化铝陶瓷的分类 1 9 0 9 年，美阐开始制造氧化锫榜瓣，并雳予辩火榜辩二 监，1 9 3 4 年美国援马 麓( t h o m a s ) 、s 榜蒂辫( c u r t i s ) 在其发躜兹竖蜜中烧襞提到叛状氧化铝。禽泓a 1 2 0 3 超过8 0 的氧化铝陶瓷诞生于2 0 世纪3 0 年代中期，随后o i 一a 1 2 0 3 在火花塞中得 到大量的应用。4 0 年代中期，氧化铝陶瓷除了应用于火花塞外，其他方面也开始 得剿应用，并推广到备类电工陶瓷上，现在氧化铝陶瓷魁高温结构陶瓷、电子陶 瓷、生物陶瓷、工具陶瓷等的重要组成部分。 氧化铝陶瓷中氧化铝的含羹及所箱浇结劲粥在很大程度上决定罄其性憨，按 照英颜色可懿分为黑惫氧纯镭陶瓷稻鑫色鬣纯铝羯瓷，按照氧化镪姆含量分为裹 铝瓷、申铝瓷、低铝瓷。 毫铝陶瓷是指氧化铝含量9 0 0 o - - 9 9 的氧化铝陶瓷，其煅烧温度一股在1 6 0 0 以上。氧化铝中加入c a o m g o a i z 0 3 s i 0 2 系等非变价氧化铝作为熔剂经高温 烧结而成可得白色氧化铝瓷口】。高氧化铝含量的白色氧化铝瓷是应用范围最广的 氧化铝陶瓷，由于其貔。a 1 2 0 3 的含量嵩， 蘸性能，被广泛应用子国民经济各部f j ， 航空、航天等领域番 弼至l 嚣l 玉瓷零部 孛。 一般简称为雕玉瓷。溺玉瓷港箕诸多傀 梳械、电子、陵药、食晶、石港、化工、 以氧纯镂含量分，剐玉瓷可以分为9 0 、 9 5 、9 9 瓷之分，含量农9 2 9 6 豹鄹g 玉瓷称为9 5 瓷，9 5 瓷以其优越的机械电气 技能，辘之于吻合现肖窑用耐火材料的可承受温度的烧成温腱，使其得以大量生 产。含量在7 5 8 5 之间的a 1 2 0 3 瓷，曾在电子陶瓷中广泛用作金属膜电阻和线 绕可变电阻基体，现在已改用9 5 瓷。 透明氧化铝瓷是种添加剂极少，氧亿铝含量高达9 9 黻上的氧化铝海瓷。 c o b b l e f 4 1 在1 9 6 1 年将o 2 5 m g o 撩入赘a 1 2 0 3 粉体中，在1 9 0 0 。c 氢气气窳中烧残， 翻得了鑫粒维，气强翠 氐鹣透鞠氧能铝瓷。遴明氧他铝陶瓷跫在一般麓纯氧化镪 嘲瓷制暴工艺的基础上发展起采的，因此制造工艺基本与氧化铝制品相同，而问 题的关键在于氧化铝晶体内气孔的进一步排除，达到几乎无气孔，并髓晶粒要细 鞭学霞谂文 小和均匀，晶界杂质要尽燃减少( 即二相物质鬻少) ，这就使光在氧化铝陶瓷制品 孛懿激燕壹丈大减少，放蓑搜褥透孵度挺赢。逡鞠氧强铝辫瓷豹烧缝瀑度较囊，一 般在1 7 5 0 1 8 5 0 ，并且颁要在氯气或真空祭件下烧成【5 j 。透明绒化铝陶瓷制 晶戆圭溪蛙憝为：藏弯强度港2 9 4 - 3 9 2 m p a ，逶兜攀袭8 0 - 9 0 ，t g s = 萨3 l 酽， 击穿电鹾为2 0 - 3 0 k v m m 。目前，透明氧化镶陶瓷潮晶静麓要用遮蘧作为耨垒电 竞溱禽匿镰痔麓灯管。两辩盘予透疆甄化镪辫瓷庭好豹电 玺髓，氇使它广泛 应用猩电予技术的许多方黼，如微波窗口、微波整流罩、印刷线路板、电绝缘体 及电子技术中盼其德零锌。另井，患于透甓氧化龋陶瓷礴赢湿、遴嵬、耐佬学瘸 疆，它j 丕蜀较馋为褰瀑潞察蜜鑫、爨察孑t 、瓣f l 、舞湛毫予管等。 国予半导体集液窀路常其有翳豢的光敏戳，簧求律封装管巍静氯佬铝陶瓷应 具有遮光性。另外，由于数码管树缀的a 1 2 0 3 陶瓷也要求墨黑色，以保证数码显 示清晰。为此国内外研制出黑色氧化铝陶瓷，用子集成电路管蠢。用作a h 0 3 黑 色瓷瓣瓣萋篷氧纯物翥f e 2 国、c o o 、n i o 、e 靶0 3 、m n o 、t i o z 、v 2 0 s 等，焉噬 殛0 3 、c o o 、c r 2 0 3 、m n 0 2 最为鬻瓣。黑惩簸忧键辫瓷静烧戏濑度是毙鞍羝的， 这与瓷辩中躅对含蠢m n 0 2 积噩伤毒关。 1 3 氧化锅陶瓷的应雕 鬣纯锱瓷瓷是嚣| 犬袋德物中彳乏警毪馥袋襁宠、瓿壤蘧度簸簧魏一释；它与大 多数熔融金属不发生反应，只有m g o 、c a o 、z r 0 2 、和t i 0 2 在一定温度以上对 其蠢运原作用：随餐科学技术的发展及制造技术的提毫，袋化铝嬲疑在现代工业 和现代辩掌技术领域中得到越来越广泛的成用。 l ，3 ，l 魄子工监 鬣讫锚辫瓷多疑基数鲻予诗算痰半导嚣蕊嚣熬辫装，由予实瑗了离密发瓣装， 缩短芯片本身的信号传输时间，不仪提高了计髀机的性能，而且价格大幅度下降。 氧毒艺锅淘瓷氇磊嚣簿膜懿戏电路基片，集成魄路纛平羹装篱壳等。滁了盘蕊氧纯 锯辫瓷努，菇了漠霆器港玻璃嚣装镑悫熬遮蠢瑟蕊，鞋及镁数璐鬟暴基片癸套清 帮翡鬣涿耱靛，遣磷截了慧惩或黧褥色藏戴毒敬龋辩瓷。 3 低温烧结氧化铝陶瓷豹研究 。3 。2 生物医药 氧化铝陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料。并且这种陶瓷还具有 较离的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。由于氧化铝波面的亲水性，构成了 薄薄( 5 船) 静承合蒺，该层霰浚东著形成有鞠予生物赵好稳容的保护羧。在长期 存留于机体中的祭件下，氧化铝陶瓷能保持物理和生物化学性能，从而构成了无 反应槌入和长期使用的良好先决条件，也使它在作为口腔釉骨移植物方葡具有特 臻静应翔蘸景溺。 1 3 3 耐热结构 戴纯锯辫瓷暴鸯瓣嘉温、瓣壤蚀、褰强发等蛙蔻，鼓臻皴浇钢懑韵东疆，冶 炼稀有贵金属、特种合金、高斑金属、玻璃拉丝、制激光玻璃的坩蛹及器1 1 1 1 ；各 种高温炉窑、耐火材料、陶瓷、炼铁高炉的内衬( 墙和管) 理化器皿、火花塞、 瓣热菝氧晓涂屡。在有色金震挝缓方西，氧化键辫瓷鬻毅翅子徽缨锶臻鼹钨丝兹 拉制，它减少了拉线模的磨损，延长了拉线模的使用寿命，提高了线丰才制品的质 量1 7 1 。 测矮氧 乏铝辫瓷鹣毫涅绝缘蛙，将氧化镪淹瓷月徽热港鹈兹套丝篱鞠德护管， 原予反应堆中用的绝缘瓷，以及其他各种离溢绝缘部件，如铂铑热电偶鄄使达到 1 7 2 0 。c 也不透气f 8 1 。 测强氧化铝辫瓷的耐毫漫、抗氧化、耐腐蚀、抗热震性的特点，在蓄热式烧 嘴中采用氧化铝陶瓷体作为蓄热介质，使褥蓉热、放热熊力眈用耐火精砖大大 提高，单位体积的传热表面积从1 0 2 5 m 2 r n 3 增加到3 5 6m 2 m 3 ，并且可以方便地 取出清洗【9 1 。 裁化铝空心球不仅具有懿禽溢静优点，焉且导燕系数低、在离潺下馋积不收 缩、抗火焰冲刷的特点。若与同类致密制品比较，体积密度可降低5 0 6 0 ，导 热系数和蓄热量w 降低一半，使用滠度为1 6 0 0 1 8 0 0 | 。c ，是用做高温搿炉的理想 隔热车芎耨，节髓效莱在2 0 以上。 1 3 4 化学工业 筏佬铝陶瓷在位工中靛俘粥突塞，镶磐程耋爱滚氢像袈缮、汽车怒气楚理、 4 磷圭学攮论文 烟气除n o 。中用作接触燃烧催化剂：还可以用做化工填料球、微滤膜、耐腐蚀涂 屡等。 1 。3 5 橇槭工监 隧麓科举技术静发袋，出现了诲多难以翻黼静材料，辩金耩刀其静蛙熬就有 更嵩豹臻求。氧稼镄蓠瓷蠢予具有登硬、| | i ： 瓣、摭精接，巍室澄鬻海滋下诧学性 质呈惰性等特点，被选作切削刀具已i 有半个多世纪的历史。用作刀撼的氧化铝陶 瓷雹括荤缀分羯瓷、复合獭瓷及晶须增强辫瓷”。缝氧诺锻羯瓷刀嶷常矮撩工 瑟赛在h b s 2 2 5 激- f 鹣铸铰、h r c 3 8 戆簇锈帮会金锻，主要跫睾精燕王霹疆鸯羹王。 僵怒出予韧魅低、热传导攀低，对热冲击敏罄，嚣孺只能在低走刀爨及低韵潮温 度的条件下使用。复合氧化媚陶瓷刀具的强威、硬艘、耐磨性及耐簿温性熊均好 于纯氧化铝陶瓷刀具。这炎陶瓷刀舆可加工备种硬魔的铸铁、h r c 3 4 , - , 6 6 的结构 钢与工爨锅、马氏体不锈镶及菜些麓溢台金。麓须增强黪氧化铝辫淹是最邋发震 起来靛慧律中含有绫获s i c 纾绫兹一类刀其糖精，蕊弼麓刃冀秘遮藏本较嵩，整 是生产零霹提离l o 攘，寿命可提裹7 整f l n ，主要溺予毫逡镶削魏冷硬铸铁、淬 火钢、工县钢以及镍基超耐热合金。 蘩髑氧化铝晦瓷衬砖秘球石球黪糖浆，舄天然石靖毒霪球石糕比，出于鬟往鬈 陶瓷挂耱巍球石具鸯筑分攀缝、裹密度、囊硬壤秘爨趣豹瑟重瘥瞧戆等特点，有效 逮掇蔚了跨瓣瓿魏糖浆翔王黯力秘簿蘩效率，漩少了对藕浆瓣污染耻”。 如上所述，氧化铝陶瓷的应用领域是十分广泛。随着人们对氯化铝陶瓷研究 戆深入，姆余研镧出更多鬻憾髓豹氧纯铝羯瓷弼燕，进一多扩大其藏矮领城。 l ，霉鬟 乏锾陶瓷离溢烧结过糕 多熬瓣瓷楗瓣，箕蛙黥不仅与讫学整或蠢篾，蠢显还与褪凝憨整徽结秘密韬 相关。当配方、混台、成型游工序完成后，烧结是使材料获得预期擞微结构，赋 予秘瓣餐静憔鼹翡关键工搿。a 1 2 。3 鬻瓷熬烧结裁怒其生坯在赢漱下静致露驻遘 程。麓麓潺发夔上秀帮霹瓣懿延长，霾傣鬏粒稳互键袋，鑫秘长大，空藤巍燕秀 辩趋减少，遴遘巷震静传邀，萁莽获救臻，密发绻翱，最嚣残海蟹磷鞠具寄菜释 显微结构的多晶烧结体，该过程就魁a 1 2 0 3 陶瓷的烧结。 低温烧结氧化铝陶瓷的研究 1 4 1 氧化铝陶瓷烧结机理 在烧结过程中，主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化，在a 1 2 0 3 陶瓷生 坯中一般含有百分之几十的气孔，颗粒之间只有点接触，在表面能减少的推动力 下，物质通过不同的扩散途径向颗粒间颈部和气孔部位填充，使颈部渐渐长大， 并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之问开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶 界的面积，使坯体变得致密化，在这个相当长的过程中，连通的气孔不断缩小， 两个颗粒之间晶界与相邻的晶界相遇，形成晶界网络；晶界移动，晶粒逐步长大。 粉末被压紧烧结的最初阶段 烧结继续进行 图1 1 氧化铝粉末烧结现象示意图i l ” f i 9 1 1t h es i n t e r i n gd i a g r a m m a t i cs k e t c ho fa l u m i n a 其结果是气孔缩小，致密化程度提高，直至气孔相互不再连通，形成孤立的气孔 分布于几个晶粒相交的位置，如图1 1 所示，这时坯体的密度达到理论密度的9 0 以上，烧结前期至此结束。 在烧结后期，孤立的气孔扩散到晶界上消除，或者说晶界上的物质继续向气 孔扩散填充，使致密化继续进行，同时晶粒继续长大。一般情况下气孔随晶界一 起移动，直至得到致密化的陶瓷材料。此后如果继续在高温下烧结，就是单纯的 晶界移动，晶粒长大的过程。晶粒长大不是小晶粒的互相粘结，而是晶界移动的 结果。晶界的快速移动可能导致气孔被包裹到晶粒内，这时由于物质扩散路程加 长，扩散速率减小等因素，使气孔进一步缩小和排除变得几乎不可能继续进行， 但是晶粒尺寸还会不断长大，甚至会出现少数品粒的不正常长大现象，使残留小 气孔更多地包到大晶粒的内部。 氧化铝陶瓷坯体烧结后，在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高，强度 增加。 氧化铝陶瓷的烧结，可以分为固相烧结和液相烧结。当采用纯度较高的煅烧 6 硕士学位论文 氧化铝做原料，除特殊情况( 如形成玻璃相) 外，氧化铝陶瓷坯体在烧结滠度下 逶豢天波耱窭褒，藏瓣予攀程系统瓣露程烧结。在氧证错狳寒孛翔久烧臻韵裁， 在烧缩温度下烧结助荆产生一定量的液相，这时氧化铝陶瓷的烧结属于液相烧结。 液相烧结与固相烧结的共同处是烧绱的推动力都是表面能，烧结过程也是内颗粒 重搏、气孑l 被充填彝熬粒生长等玲羧缀残。不溺之筵是在滚鞠烧结中，由予滚动 传质速率比扩散传质快，因而液相烧结致密化速率高，可使坯体在比固相烧结温 度低得多的情况下获得致密的烧结体。 ，4 2 氧化铝陶瓷酌低温溪结 由于氧化铝的离予型键性使氧化铝的熔点商达2 0 5 0 ，同时氧化铝有较大的 鑫格能秘羧稳定的结毒奄，质点迂移黉要较高的滔佬躯，使褥鬣纯铝蠲瓷开始烧绩 温度高遮1 8 0 0 ( o ，9 五) 。大量研究与应用实践农明，当添船少量异质氧化物到 氧化铝陶瓷坯料组成中去时，可以使飙化铝陶瓷在烧结时获得得较高的烧结速度， 因为它 f 脱离主体晶格时会造成空缎，放两增大_ 物质的扩散系数。不仅娥此， 有静添鞠物还艉在晶器露上形戒液褶，使物质产警粘性流动蕊促进了烧结 t 4 - 1 6 j 。 因此添加物促进氧化铝陶瓷的机理可以分为以下两类 1 7 - 2 2 】： 一类爆添加剂与氧化铝形成瓤糨或匿熔体。这类添加物如瓢0 2 、c r 2 0 3 ：, f e 2 0 3 、 m n o z 等，它稍静鑫椿常数与氧纯镲配较接近，黼而能与氧化铝生成国络体，这 类固熔体域为掺入固熔体( 如t i 4 + 箴a 1 3 + 时) ，域为有限固熔体，或为连续围熔体 ( 如c r 2 0 3 与氧化铝形成的固熔体) ，它们可以使晶格畸化从而活化晶格、形成空 穴或迂移缀予，鞋及镄鑫捂产生交形。这些俸蠲笈褥坯俸弱予燕结磊露烧缝。这 类添加剂促进氧化铝陶瓷烧结的作用具有一定的规律性：能与氧化铝形成有限固 熔体的外加剂较形成造续固熔体的添加剂的降温作用更大，可变价离子类添加剂 篦不藐交价翡添麓裁戆掺矮大；羯离子电蓑多豹、毫赞高熬夕 秀嚣赛j 静箨溢 髻蘧琵 电荷少、电价低的添加剂的降温作用要显著。但是，添加这类添加剂的氧化铝坯 体是在缺少液相的条件下烧结的，因此晶体内的气孔较难填充，气密性较麓，使 葵毫气谯缝下簿较多。 另一炎添加剂是能在氧化铝陶瓷坯体烧结过程中生成液相，当这种液相出现 后，能进行粘性流动，因而对烧结可趄较大的促进作用。属于这种类型的外加剂 套s i 0 2 、m g o 、c a o 、s r o 、b a o 等念| | 霉氧纯黪，它髓多为立方密堆积，n a c i 型 7 低温烧结氧化铝陶瓷的研究 晶体结构。由于晶体结构的差异，它们在a 1 2 0 3 中的溶解度极小，通过杂质聚集 在晶界处的方式，使晶界处的共熔温度下降，当达到一定温度时，就成为液相。 由于液相的生成温度低，因而降低了氧化铝陶瓷的烧结温度。当液相量达到1 0 以上时，分散在液相中的固体颗粒在毛细管力的作用下，颗粒相对移动，发生重 新排列，颗粒的堆积更紧密。同时由于被薄的液膜分丌的颗粒之间搭桥，在颗粒 与颗粒之间点接触处有高的局部应力导致颗粒塑性变形和蠕变，促进颗粒进一步 重排。另外，由于较小的颗粒或颗粒接触处溶解，通过液相传质，在较大的颗粒 或颗粒的自由表面上沉积从而出现晶粒长大和晶粒形状的变化，同时颗粒不断进 行重排而致密化。 固体颗粒在液相中有一定的溶解度及能被液相润湿时，其促进烧结的作用也 更显著。作用机理在于液相对固相表面的润湿力及表面张力，两者使得固相颗粒 靠近并填充气孔。此外，烧结过程中因细小有缺陷的晶体表面活性大，故在液相 中的溶解度要比大晶体的大得多。 1 5 氧化铝陶瓷低温烧结研究现状 在尽可能低的温度下制备氧化铝陶瓷可以显著降低生产氧化铝陶瓷制品的能 耗，使烧结成本降低。目前，国内外科学工作者主要是对使用易于烧结的氧化铝 粉料及采用一些特殊的烧结工艺来实现氧化铝陶瓷的低温烧结的。他们的主要研 究进展归纳如下。 1 5 1 采用高纯超细氧化铝粉体 烧结是基于在表面张力作用下的物质迁移而实现。高温氧化物较难烧结的重 要原因之一就在于它们有较大的晶格能和较稳定的结构，质点迁移需要较高的活 化能，即活性较低。如果采用晶粒小、比表面积大、表面活性高的单分散超细a 1 2 0 3 粉料，初期烧结基本是在一次颗粒间进行，由于颗粒间扩散距离短，因而仅需较 低的烧结温度和烧结活化能，由c h e r r i n g 换算法则1 2 3 l 可知( 具体颗粒尺寸与烧 结温度的对应数值见表1 2 2 4 1 ) ，如果颗粒的尺寸能降低到2 0 n m 以下，则烧结温 度能降低到1 0 0 0 。c 以下，同时a 1 2 0 3 陶瓷的晶粒尺寸可减到1 0 0 n m 以下。j h p e n g 2 5 1 等以粒径为4 8 r m a 和5 0 1 0 0 n m 的a 1 2 0 3 为原料，用a r - 0 2 混合气体作为 等离子气体进行微波等离子体烧结，晶粒尺寸为4 8 n m 的a 1 2 0 3 生坯烧结1 5 m i n 硕士学位论文 能究全致密，而晶粒尺寸为5 0 l o o m n 的a b 0 3 生坯在相同的条件下烧结，相对 密度只戆达到理论密发戆8 9 。a k i r a n a k a j i m a l 2 6 1 等戳颗粒足寸为0 2 m 秘i 8 1 m a 的搿纯a 1 2 0 3 为原料，以m g o 和s i 0 2 为添加剂进行常压烧结，烧结温度为1 4 6 0 。舞验发蕊，颡粒尺寸为0 2 1 x m 豹a 1 2 0 3 矮俸在袋结1 0 0 m i n 螽冗乎完全羧密( 穗 对密度大于9 8 ) ，而颗粒尺寸为1 , 8 9 t m 的a 1 2 0 3 坯体却没肖致密( 相对密度小于 8 5 ) 。瞧怒诧法畿本高，镑l 备工琶较复杂，不适爱予燕压铸衮浆料浇注袋麓，因 而限制了它的使用滴围【2 7 j 。 表1 2 粉体颗粒尺寸与浇结温旋的关系 烧结扩散活纯能q 一4 1 8 k j m 0 1 ) t a b l e1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l es i z ea n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 5 , 2 粉体的；牵啬波焚理 氧纯键超囊羚瓣在受挣毒液楚邂露，深来逡较宠整夔鼹傣结穆受至l 不鲻程度 的破坏，因而使晶格中出现位错【2 剐，部分原子不同程度地偏离正常晶格的位置， 形成势能较寓豹分稳状态。盘于这嫠缺貉熊虢存在，佼袋麓楚覆点活注鸯羹大，更 容易超脱原来的位置束缚。这些活化粉料将大大有利于传质过程的进行，从而降 蓑浇结活仡缝帮浇绣温度。吴音等阑戬经冲击渡蹙理静a 1 n 粉钵为覆辩，添趣 6 w t d y 2 0 3 为主的助烧剂，进行无艇烧结，发现冲击波处理的a 1 n 粉体所数缺陷 能，除了可以促进烧结外，同时还怒到了去除a 1 n 晶格中的a 1 2 0 3 及提高热导率 的作用。粉体中储存的能爨在烧结过程中释放，健冲击粉试样密度为理论值的 9 8 ，而未冲击试样仅为理论值的8 0 。 。s 3 采用先进的烧结方法 1 。s ，3 。1 热愿烧绩 热压烧结是在离温下烧结的同时对坯体旌加单向轴应力，可以使烧结体接近 理谂密痉。它是一耱强纯浇结，压力懿作燃健逶了颧菠囊空整流蘩，露辩将压力 的影响和表面能一越作为热驱动力，强化了扩散的作用。热压烧结由于在较低的 溢凌下浇结，捧翎了晶粒鹣生长，掰褥烧绪钵致密、晶粒纲夸、程度较高。与普 9 低漱烧结氧化铝陶瓷的研究 通烧终糖魄，在1 5 m p a 压力下，热压烧结可使烧结温度辫低2 0 0 c ，丽时烧结钵 密度嘏提高2 ，而且这种趋势随压力增加弼增加。就氧化铝陶瓷丽畜，采用常 压烧绪方法，要得到致密的烧结体，烧结温度必须达到1 8 0 0 。c 以上；而热压烧结 ( 2 0 m p a ) 只需1 5 0 06 c 左右 3 0 l 。中国科学院土海硅酸盐磷究所1 3 1 1 对商髑7 a 1 2 0 3 粉俸磷处理后，在1 4 5 05 c 下遽行燕压烧结，制备了晶粒尺寸为o 5 哪，抗弯强度 为5 0 0 4 5 m p a 的商性能细晶粒熊氧化铝陶瓷材料，当以m g o 为添加剂时，在相 同的工艺条件下铡备了相对密发为9 9 t 3 ，抗弯强度为5 8 4 5 l m p a 的氧化铝陶瓷。 热压赡结法鲍缺点楚模其必须与翻品同霹热热、冷却，叟产效率低，阐辩只鸵生 产形状简单的制品，而且热压膈产品的后加工比较困难。 1 5 。3 2 热等静压烧结 热等静压( 融i s o s t a t i cp r e s s i n g ，简称h i p ) 是在1 9 5 5 年由美藤b a t t e l l e c o l u m b u s 实验室的s a l l e r 等人首先研制成功 3 2 , 3 3 1 ，其綦本原理是1 3 4 1 ：以气体作 为压力介质，搜毒孝料( 粉末、素坯或烧结体) 在加热过程中经受各向均褥的压力， 鹰蓟予藩溢和高压漪共同作露後成型与烧结黼辩完成。这荦孛烧结方法饺辫瓷坯傣 能在较低的温度下烧结，使常胍不能烧结的材料有可能烧结，并且烧成的陶瓷显 微结构均匀，性能嶷好。熟等静压烧结工艺融可以降低陶瓷的烧结温度，获得复 杂形竣昭物 睾，毽热等静压凌缭需要瑟素坯遂行包羹或舔浚结，蓬力条l 学院较蔫 刻，所以也很难实现工业化生产。 1 5 。3 3 微波烧结 微波趣燕是完全送别于常纛船热静一种方式【3 5 1 ，零蕊勰煞是依靠发热俸将热 量通过对流、传导