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    氧化鋁陶瓷的制造工序

    發布日期:2017年9月9日

    氧化鋁陶瓷是以α-Al2O3為主晶結合成的陶瓷產品,其Al2O3的含量一般會在75%以上。人們通常以配料中Al2O3的含量對其進行分類,其中:Al2O3的含量在75%左右的是“75瓷”,因Al2O3燒結溫度較低,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,以提高陶瓷產品的機械強度與電性能。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”,這種陶瓷的燒結溫度高達1650℃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基礎器件。

    氧化鋁陶瓷的制造工序大致可以分為四步:

    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。應用于陶瓷工業的氧化鋁主要有2種,即工業氧化鋁和電熔剛玉。

    工業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方法處理,除去硅、鐵、鈦等雜質,制備出氫氧化鋁,再經煅燒而制得。工業氧化鋁是白色松散的結晶粉末,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,晶體結構中氧離子形成六方最緊密堆積,鋁離子則在6個氧離子圍成的八面體中心,是氧化鋁各種型態中最穩定的晶型。由于α-Al2O3具有熔點高、硬度大、耐化學腐蝕、介電性好等優良特性,用α-Al2O3為原料制備的氧化鋁陶瓷材料,其機械性能、高溫性能、介電性能及耐化學腐蝕性能都非常優異。

    不同的氧化鋁陶瓷產品與不同的成型工藝對氧化鋁粉料有不同的要求,若制造高純型氧化鋁陶瓷產品,氧化鋁粉料的純度要在99.99%以上,并需要對其進行超細粉碎,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劑和可塑劑,以利于成型的操作。若采用半自動或全自動干壓成型,則需要對粉料使用噴霧造粒法進行處理,使粉料呈圓球狀,以提高粉料的流動性,便于自動充填和成型。

    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行漿料澆注成型,所以使用這種方法制造氧化鋁陶瓷成本低,并且可以制作外形復雜以及尺寸較大的產品。注漿成型技術的關鍵是制備漿料,一般是使用水對氧化鋁粉料進行溶解,并加入適量解膠劑、粘結劑,對混合漿料進行充分研磨、排氣,最后注入石膏模內。由于石膏模的毛細管會吸附漿料中的水分,漿料會在模內慢慢固化成型。為減少坯體的收縮,應制備和使用高濃度漿料。

    干壓成型技術可實現氧化鋁陶瓷標準化、批量化生產,為氧化鋁陶瓷的市場化推廣提供了生產基礎。但干壓成型技術僅能生產形狀單純的標準件,并對制品的規格有限定,即內壁厚度要超過1mm,長度與直徑之比小于4∶1。在干壓過程中,模具充填時粉體顆粒的均勻分布狀況、充填量是否精準對氧化鋁陶瓷制品的質量、尺寸、精度等性能的影響很大。經實踐,當氧化鋁粉體的顆粒介于60~200μm之間可取得最佳成型效果。

    3、燒結

    燒結是將陶瓷坯體在高溫下進行致密,最終形成固體材料的一種技術。當前市場上使用最廣泛的裝置是電爐。常見的燒結方式有3種:常壓燒結、熱壓燒結和熱等靜壓燒結。其中:熱壓燒結可以連續生產,提高了氧化鋁陶瓷生產的效率和產量,但熱壓設備的購置成本和模具費用與其他方法相比較高,經濟效益不佳。其次,熱壓燒結需要限制陶瓷制品的尺寸。熱等靜壓燒結是使用高溫高壓氣體對陶瓷坯體進行壓縮致密的方法,該方法具有受力、受熱均勻的優點,非常適合形狀復雜的制品的成型。使用該種方法燒成的陶瓷材料,其性能要比冷壓燒結的產品性能提高30%以上,比一般熱壓燒結產品的性能提高10%以上,因此一些高附加值的產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。

    4、精加工與封裝工序

    有些氧化鋁陶瓷材料在燒結后需要進一步精加工,比如對產品表面進行拋光或鍍膜,以增強其光潔度及力學強度。加工或精加工結束后,一般使用塑料等容器進行封裝。

    氧化鋁陶瓷具有穩定的理化性能和十分優異的機電性能,隨著科學技術的發展和制造水平的提高,各種高性能的氧化鋁陶瓷新材料、新產品也將不斷涌現,但仍有很多指標需改善,有很多特性等待大家共同去研究、開發。同時,對氧化鋁陶瓷新材料的研究、開發與應用將是材料科學未來發展的重要分支。

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