氧化铝陶瓷技术介绍.ppt

氧化铝陶瓷,彭聪邦研发中心,光源技术课程,2017.07.05,培训内容,陶瓷在光源中的应用PCA的生产工艺和成形方法氧化铝粉的制造工艺和检测方法料浆的制备和产品的烧结陶瓷的性能陶瓷的研究方法陶瓷和金属的封结,陶瓷的概念,传统陶瓷餐具，瓷砖，陶器，卫生洁具等技术陶瓷，如：Al2O3,MgO,ZrO,SiC,TiN,Si3N4,AlN等氧化物、碳化物、氮化物，它有着广泛的性能和应用它隶属于无机非金属材料-陶瓷、玻璃、人工晶体优点：有特殊的性能：像硬度高，强度好，电阻性能高（离子晶体和共价晶体中没有自由电子），持久性好，耐高温及抗腐蚀性,此上特点都是由它的晶体结构所决定缺点：脆性和热震性能不够好，且远低于理论强度，可用微裂纹理论说明,陶瓷在灯中的应用,PolycrystallineAlumina缩写为PCAPCA能抵抗高温及钠的腐蚀，也能传导光线，所以PCA的性能完全适合用作高压钠灯和陶瓷金卤灯电弧管的外壳,陶瓷在灯中的应用,高压钠灯,高显色高压钠灯,陶瓷金卤灯,培训内容,陶瓷在光源中的应用PCA的生产工艺和成形方法氧化铝粉的制造工艺和检测方法料浆的制备和产品的烧结陶瓷的性能陶瓷的研究方法陶瓷和金属的封结,PCA的生产工艺,由于氧化铝陶瓷熔化温度高（2040C），无软化温度范围，它不能用熔化及吹制的方法来成型。它采用如下基本步骤：1.混料加入添加剂，粘结剂及其它有利于成型的化学品，如分散剂，消泡剂，润滑剂等2.成型及预致密化-挤压、等静压、浇注、注模、吹铸、热压注、热等静压（包括固相烧结）等3.固相烧结-在真空、氢气、氧气或其他还原性气氛中,PCA的成型方法,高密度挤压法特点：-素坯密度高（与其它成型方法及低密度挤压法相比）因此有利于透明度的提高-可连续生产，粉料利用率高-转换规格方便（5分钟）-可做细管径-投资高,PCA的成型方法,揉面团,做香肠,挤压,切割和装塞,素烧,高温烧结,混料,高密度挤压法,高密度挤压法制造CDM陶瓷管（飞利浦、Osram-Syluania）,PCA的成型方法,5片法的衍生-三片法，两片法,PCA的成型方法,PCA的成型方法,连续等静压法特点：-素坯密度中上等（视压力大小）-可循环连续生产-对管径与长度比有限制-中等投资,等静压法NGK-HPS，国内大多数企业,制浆料,喷雾干燥,等静压,切割,装塞,素烧,高温烧结,PCA的成型方法,注浆法特点：-素坯密度较低-不连续生产-可做简单异型产品-投资低,PCA的成型方法,注浆法,混料,注浆,脱模,切割,素烧,高温烧结,PCA的成型方法,注浆法制异性陶瓷管示意图ToTo,PCA的成型方法,失蜡（为低熔点聚合物）浇注法-NGK,PCA的成型方法,吹铸法（Blowing）挤压法重新成型(Reshapingextrudedtube),PCA的成型方法,注模法Injectionmoulding,PCA的成型方法,两片结合方法,PCA的成型方法,两片结合方法,PCA的成型方法,热压注法特点：-素坯密度较低-循环连续生产-不适合作管状产品，可做较复杂异型产品-投资低,PCA的成型方法,热压注法,混料,热压注,脱模,修整,装填,脱蜡,高温烧结,PCA的成型方法,空气,模具,氧化铝粉,石蜡,NGK工艺-热等静压法（HIP）,成型,素烧,H2烧结,1350度空气烧结,HIP1350度1000atm，氩气,石墨炉？1200度空气烧结,PCA的成型方法,热等静压法（HIP）,将预先成型（可用浇注法或其他方法）的坯体装入金属或玻璃包套（模具）内，放入高压缸，缸内装有加热炉和隔热屏，高压缸密封后打入高压氩气（700-2000kg/cm2），将气体加热到所需的热压温度（1000-1500度），这种高压气体从各个方面均匀地作用在预成型件的表面，一面压缩一面烧结，从而得到接近理论密度，且晶粒细小而均匀的高质量产品，这是其他成型方法难以实现的。HIP价格：1000万USD缸体尺寸：最大内径3M，高9米（83年）预应力钢丝缠绕的高压缸和框架结构,PCA的成型方法,塞子的制造（钠灯或五片式金卤灯用）-干压法可制造等径或不等径的塞子Stokes,Dorstpress-挤压法只可制造等径的塞子-热压注法更方便制造不等径的塞子,PCA的成型方法,培训内容,陶瓷在光源中的应用PCA的生产工艺和成形方法氧化铝粉的制造工艺和检验方法料浆的制备和烧结陶瓷的性能陶瓷的研究方法陶瓷和金属的封结,粉料的要求,粉料的要求,Al2O3粉的主要性能1高纯度-即使它的杂质含量很低，也会产生许多不希望的影响。如变色（Fe2O3），不规则的晶粒生长（SiO2），杂质还会在晶界上富集（析晶），如CaO等所有杂质的含量为ppm级,粉料的要求,2超细越细工艺性能越好，成型时可增加它的流动性、可塑性，保证它的光洁度、均匀性和机械强度，烧结时粒度越细就越能减低烧结温度，缩短保温时间。,平均粒度粒度分布形态比表面,离心沉降法-法国BAIKOWSKI光子相关光谱法Photocorrelationspectroscopy（PCS）激光衍射法粒度分析仪（Laserdiffraction）透射电子显微镜吸附法(BET，N2，Ar),粉料的要求,3活性活性对烧结是非常重要的，它有利于达到材料的高密度。它需要特殊的粉料形态，但它的活性应能得到控制，否则只会起到相反作用。如法国粉料氧化铝粉CR6和CR30的活性不一样，但同样能制造成相同的氧化铝陶瓷管，主要靠工艺上的控制。粉料的性能不但对工艺过程有很大影响，而且对最终产品的结构也有影响。所以粉料制造的重现性显然是非常重要的。,粉料的分析,氧化铝粉中杂质含量的测试方法：电感偶合等离子体发射光谱（ICP-AES），（ICP-OES），上海硅酸盐研究所无机材料检测中心。直流电弧射谱仪-南京772-硅、铁、镁等，不需熔样，但系统分辨率差辉光放电质谱法（半定量）上海硅酸盐研究所无机材料检测中心原子发射光谱仪（定性）上海硅酸盐研究所无机材料检测中心法国BAIKOWSKI用ICP日本住友用辉光放电质谱仪GlowDischargeMassSpectrometer定量?国内在06年时有“高纯氧化铝分析方法“标准的讨论,粉料的分析,松装密度(BulkDensity)容积称重法敲实密度（TapDensity)用人工或仪器对装粉料的容器进行敲击，测定其体积，计算与松装密度的相对值,粉料的分析,氧化铝粉的生产工艺,PCA使用的Al2O3粉大都是通过培烧铵明矾获得的。AlNH4(SO4)2.24H2O-Al2O3+NH3+SOx用硫酸铝铵分解法制备氧化铝粉可分成三个工艺流程（国内有些公司把后两个工序合并）：硫酸铝铵氧化铝粉-氧化铝粉,上海田高的生产工艺-硫酸铝铵生产流程,氧化铝粉的生产工艺,上海田高的生产工艺氧化铝粉生产流程,氧化铝粉的生产工艺,氧化铝粉的生产工艺,上海田高的生产工艺在1000C时我们首先得到体积庞大的-Al2O3粉比表面约125m2/g，密度0.15g/cm3，粒径0.02um在1200-1400C转换成-Al2O3比表面为6m2/g-30m2/g松装密度为0.4g/cm3左右平均粒度为0.5-0.6um粉料要气流粉碎，破坏团聚体团聚体尺寸3NaAlO2+Al.2.2Na+16/3Al2O3-Na2O.5Al2O3+2/3Al-通过晶界加快了它的反应杂质的存在会大大减弱陶瓷的化学稳定性，如晶界上Ca的存在晶粒小的比晶粒大的化学稳定性强（晶粒大，机械张力大，晶界上更容易腐蚀）,陶瓷的机械强度,小的晶粒比大的晶粒机械性能要好，见如下实验结果：,陶瓷管的其他性能,熔点2040C晶体结构为六边形多晶结构，晶体结构不太规则轴向的膨胀系数=8.8x10-6cm/cm.K径向的膨胀系数=8.0 x10-6cm/cm.Kc.o.e（coefficientofexpansion）对选择用于电气连接的金属是个重要的参数。选择铌就是因为这个原因热导性at1500K:10W/mK电阻率at1000K:109.cm折射率at600nm:1.77,HPS与CDM对陶瓷管的不同要求,由于CDM的表面负载比钠灯更大（钠灯15-20，CDM20？），管壁温度更高，大于1500K（钠灯一般小于1500K，1450K左右），所以要求用氧化铝粉料的纯度更高，特别是Na的含量要更少，杂质的减少有利防止晶界处第二相的产生CDM燃点时电弧管内气压更大，有几个到十几个大气压CDM的管壁一般较薄，要求晶粒小以增加机械强度，平均晶粒为几个um，而HPS为20um左右,培训内容,陶瓷在光源中的应用PCA的生产工艺和成形方法氧化铝粉的制造工艺和检测方法料浆的制备和产品的烧结陶瓷的性能陶瓷的研究方法陶瓷和金属的封结,光学显微镜生物显微镜偏光显微镜金相显微镜（反光显微镜）干涉显微镜.电子显微镜透射式电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）+电子探针,陶瓷的研究方法,X射线衍射分析（XRD）荧光X射线分析及电子探针微区X射线分析表面分析离子探针微区分析（IMMA）光电子能谱分析（ESCA）俄歇电子能谱仪（AES）低能电子衍射（LEED）阳离子显微镜,陶瓷的研究方法,金相显微镜（属光学显微镜中一种）金相结构、晶粒形态、平均晶粒、最大晶粒试样制备直接观察、切片观察选样、（镶嵌）、磨平、抛光、腐蚀（物理、化学）金相显微镜测试方法：选取合适的放大倍数，用标准刻度玻片进行校准先在圆周上和长度方向上作观察，然后挑取有代表性的区域拍照片测量最大晶粒和平均晶粒，存档时记录下重要信息,陶瓷的研究方法,HPS陶瓷管结构-金相显微镜图像X200凤凰粉13#配方,陶瓷的研究方法,陶瓷的研究方法,CDM陶瓷结构-金相显微镜图像X800内表面,HPS陶瓷管结构-金相显微镜图像X200鑫美宇粉13#配方,陶瓷的研究方法,陶瓷的研究方法,X衍射仪法（XRD）任何一种结晶物质都具有其特定的结构，如每个人的指纹不同一样研究物质的实际结构及进行技术鉴定，如物相组成，微观结构的特征和晶体缺陷，定量定性相分析，单晶定向及晶粒度，内应力，织构，固溶体类型等如测氧化铝粉的相组成，、等测定焊料环中含水相的比例，CA、C3A.H2O、C12A7.6H2O测定电子粉中钨酸钙钡的合成程度,BaCaWO9测定CDM点燃后样品中的物质的物相？样品处理，粉末法，固体样品,陶瓷的研究方法,电子透镜(TEM)电子的放大成像过程是通过它在电子透镜中，凭借电场或磁场力使其会聚或发散达到的。氧化铝粉的粒度，形态试样的制备不能太厚，一般为几百埃良好的化学稳定性及强度粉料需支持膜、蒸金或蒸碳大块得用复型例：电子透镜粉料照片,陶瓷的研究方法,扫描电子显微镜（SEM)有较高分辨率，放大倍数连续可调，图像景深大，立体感强，试样制备简单晶粒尺寸，晶粒结构，气泡，杂质可观察陶瓷断口的晶粒结构和形态+电子探针（EPMA）可做成分分析，定性和定量，元素面扫描例：精瓷陶瓷钙分析波长射线谱仪（）或能量色散射线谱仪（）作微区分析试样的制备：干净的固体，不含水，不导电的由于在电子照射时表面易积累电荷，要蒸上一层金属膜或碳膜,陶瓷的研究方法,陶瓷的研究方法,扫描电镜+电子探针图片,培训内容,陶瓷在光源中的应用PCA的生产工艺和成形方法氧化铝粉的制造工艺和检测方法料浆的制备和产品的烧结陶瓷的性能陶瓷的研究方法陶瓷和金属的封结,陶瓷与金属的封结,封结通过玻璃焊料来实现，根据灯泡不同的应用采用不同的方式来封结焊料有两个最基本的要求成分与要结合的部件膨胀系数相匹配化学稳定性要考虑到灯泡的充填气体,高压钠灯用焊料工艺封结玻璃用粉料压制成环并经过预烧结和真空烧结预烧结：在空气中进行，目的是去除粘结剂和增加环的机械强度。真空烧结：在真空中进行，它能把焊料的含水相转变成无水相。焊料粉可能以三个相的形式存在，12CaO.7Al2O3.6H2O有6个结晶水，而3CaO.Al2O3.H2O有一个结晶水，CaO.Al2O3为无水相。含水相的比例不能超过无水相的2%。结晶水在封结时会逸出而在焊料中留下气泡或气体通道而造成电弧管漏气或短寿命。,陶瓷与金属的封结,陶瓷与金属的封结,高压钠灯,封结原理在封结过程中封结玻璃被加热到它的熔点以上，由于毛细作用，部分熔融物会填入铌管与塞子之间的空隙焊料的流动性和达到的通道长度是封结质量的决定因素如果封结温度过低，焊料流动性差，空隙不能被充分填充满如果封结温度过高，焊料会流至陶瓷管内侧，在灯泡的寿命期间，它会与钠汞齐中的钠反应而造成钠损失，灯泡管压会因此而升高，寿命缩短,陶瓷与金属的封结,陶瓷与金属的封结,在温度达到熔点以后有一个短暂的时期跟着一个液相，并发生再结晶部分熔融物没有结晶而是转变成玻璃相玻璃相与结晶相结合在一起。实现了与陶瓷管，铌管的膨胀系数完美匹配的物相，见下图焊料检测方法熔化温度：差热分析，显微高温测定浸润角：显微高温测