目 錄摘 要1正文：11氧化鋁的同質多晶變體及其性能簡介11.1-11.2-11.3-12氧化鋁陶瓷的分類及功能簡介22.1分類22.1.1氧化鋁陶瓷按其中氧化鋁含量不同分為高純型和普通型兩種。22.1.2氧化鋁陶瓷根據主晶相不同可分為剛玉瓷、剛玉莫來石瓷及莫來石瓷。22.2功能23氧化鋁陶瓷的原料及其加工33.1原料及其制備33.2的預燒43.3粉體的制備44氧化鋁陶瓷的成型工藝54.1成型輔助劑54.2成型方法54.2.1模壓成型54.2.2等靜壓成型54.2.3注漿成型54.2.4凝膠注模成型54.2.5熱壓鑄成型65燒結65.1燒結方法65.1.1常壓燒結法65.1.2熱壓燒結和熱等靜壓燒結65.1.3液相燒結法65.1.4其它燒結方法75.2影響氧化鋁陶瓷燒結的因素75.2.1成型方法的影響75.2.2燒結制度的影響75.2.3燒結氣氛的影響75.2.4輔助劑的影響75.2.5燒結方法的影響86氧化鋁陶瓷的后加工處理87氧化鋁陶瓷的應用和發展現狀87.1機械方面87.2電子、電力方面87.3化工方面87.4醫學方面97.5建筑衛生陶瓷方面97.6其它方面9參考文獻9II氧化鋁陶瓷綜述摘 要 本文簡述了氧化鋁陶瓷的功能及在各行業的應用，詳細論述了氧化鋁陶瓷的加工、成型及制備和制備過程中各工序對制品可能產生的影響以及通常會出現的問題與相應的解決方法。關鍵詞 氧化鋁陶瓷；預燒；粉磨；成型；燒結；后加工處理；應用正文：以氧化鋁()為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷(alumina-ceramic)。它屬無機非金屬材料之一，具有特殊用途，新的性能，故也稱特種陶瓷、高性能陶瓷。氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產銷量最大的陶瓷新材料。1氧化鋁的同質多晶變體及其性能簡介根據研究報道，有12種同質多晶變體1，但應用較多的主要有3種，即-、-和-，這3種晶體的結構不同，故它們的性質具有很大的差異2。1.1-是三方晶系，單位晶包是一個尖的菱面體，密度為3.964.01g/cm3，其結構最緊密、化學活性低、高溫穩定性好、電學性能優良并且機械性能也最佳，在一定條件下可以由其它的兩種晶體轉換而來。1.2-是一種含量很高的多鋁酸鹽礦物，密度為3.303.63g/cm3，它的化學組成中含有一定量的堿土金屬氧化物和堿金屬氧化物，并且還可以呈現離子型導電。1.3-是尖晶石型立方結構，在9501200范圍內轉化為-，密度為3.423.47g/。它的氧原子呈立方緊密堆積，鋁原子填充在間隙中，這就決定了它在高溫下不穩定、力學和電學性能差的缺陷，在科學應用中很少單獨制成材料使用。但它有較高的比表面積和較強的化學活性，經過技術改進可以作為吸附材料使用。由于-和-在高溫(9501200)下易轉化為-，而陶瓷的制備又須經高溫燒結，所以氧化鋁陶瓷是一種以-為主晶相的陶瓷材料。2氧化鋁陶瓷的分類及功能簡介2.1分類2.1.1氧化鋁陶瓷按其中氧化鋁含量不同分為高純型和普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷系含量在99.9%以上的陶瓷材料。由于其燒結溫度高達16501990，透射波長為16，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝，利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管；在電子工業中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷系按含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等。95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件。85瓷中由于常摻入部分滑石粉，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。2.1.2氧化鋁陶瓷根據主晶相不同可分為剛玉瓷、剛玉莫來石瓷及莫來石瓷。以-為主晶相的氧化鋁陶瓷稱為剛玉瓷(corundum)，屬三方晶系，其密度為3.96g/，熔點為2053。以-和32為主晶相的氧化鋁陶瓷稱為剛玉一莫來石瓷(corundum-mullite)，以32為主晶相的氧化鋁陶瓷稱為莫來石瓷(mullite)。氧化鋁陶瓷根據其主要的成型工藝不同可分為玻璃滲透氧化鋁陶瓷、多孔氧化鋁陶瓷等，根據其成型方法的不同又可分為壓制成型氧化鋁陶瓷、熱壓成型氧化鋁陶瓷和注射成型氧化鋁陶瓷等。2.2功能氧化鋁陶瓷具有熱穩定和化學穩定性，電絕緣性、壓電性、耐腐蝕性、化學吸附性、生物適應性、吸聲性和透光性等多種有實用價值的性能和功能，見表1。 表1 氧化鋁陶瓷的功能功 能應 用電學功能絕緣性離子導電性集成電路芯片、封裝、火花塞Na-S電池固體電解質、氧氣傳感器光學功能高壓鈉蒸汽燈發光管，激光器材料化學功能控制化學反應、凈化排出氣體、催化劑載體、耐腐蝕材料、固酶載體生物體功能人工骨、人工牙根吸聲功能吸聲板熱學功能耐熱、隔熱結構材料力學功能研磨材料、切削材料、軸承、機械精密零部件3氧化鋁陶瓷的原料及其加工3.1原料及其制備氧化鋁陶瓷最重要的原料是粉末，其性能好壞以及含量多少對氧化鋁陶瓷有很大影響。-的晶體結構最緊密，其硬度大、耐磨損、高溫穩定，是三種形態（-、-、-）中最穩定的晶態，具有良好的機械和電學性能。故-通常是制造氧化鋁陶瓷最主要、最常用的原料。-含量高的陶瓷制品強度高、密度高、耐磨性能好。在生產含量99.5%以上高純氧化鋁陶瓷或透明陶瓷時，要求原料純度99.9%，還需超細粉碎且粒徑分布均勻。在制備原料方面，如果對于純度要求不高的，一般是通過化學方法來制備。以鋁土礦為原料，通過燒結、溶出、脫硅、分解、煅燒等步驟，把鋁土礦中的成分溶解于氫氧化鈉（NaOH）溶液中，將得到的偏鋁酸鈉（）溶液，冷卻至過飽和態，加水分解就會析出氫氧化鋁（）沉淀，再將它煅燒即可得到。但在制備高純度原料時一般采用有機鋁鹽加水熱分解法、鋁的水中放電氧化法、鋁的硫酸鹽和氨碳酸鹽熱分解法、銨明礬熱分解法等6。目前國內外大多數學者都采用銨明礬熱分解法，因為此方法制備的Al2O3純度高、細度小(約1以下)，且顆粒分布范圍窄、團聚程度輕。3.2的預燒預燒是氧化鋁陶瓷生產中重要環節之一。由于工業中含有-，它在1200以上將不可逆地轉變為-，伴有14%左右的體積收縮。為消除這種收縮，在制坯前應對工業進行預燒，、CaO等會影響-的轉化率，使其含量達不到要求。預燒也可以除去等物質，提高原料的純度。預燒方法不同、添加物不同、氣氛不同，預燒質量也不一樣。工業中預燒氧化鋁時，通常要加入適量添加物，如、等，加入量一般為0.3%3%，添加物可以降低預燒溫度、促進晶型轉化、排除等雜質。硼酸鹽除堿效果好，氟化物可促進晶型轉變，且收縮大、活性好7。還原氣氛也有利于排除等雜質。預燒質量還與預燒溫度有關：預燒溫度偏低，則不能完全轉變成-，且電性能降低；若溫度過高，粉料燒結，-晶粒異常長大、硬度高，不易粉碎，且燒結活性低8，制品難以燒結，不利于形成均勻的結構。一般情況下，粉體煅燒溫度控制在140014509。3.3粉體的制備由于顆粒細度對制品性能影響很大，預燒過的需要粉碎磨細。超細、活性高的粉體制備是獲得細晶而高強氧化鋁陶瓷的首要條件。粉體顆粒越細，活性越大，可促進燒結，制成的陶瓷強度也越高。小顆粒還可以分散由于剛玉和玻璃相線膨脹系數不同在晶界處造成的應力集中，減少開裂的危險性；細的晶粒還能妨礙微裂紋的發展4，不易造成穿晶斷裂，有利于提高斷裂韌性，還可提高耐磨性。所以。降低粉體粒度，有利于制備高性能的制品。制作氧化鋁陶瓷的微粉最佳粒度為0.11，我國目前一般在7左右，這是國內氧化鋁陶瓷質量不如國外產品質量的主要原因。粉磨后粉體間由于重力、粘附力和顆粒間作用力的作用使粉體團聚。團聚會影響燒結質量，通常加入適當的分散劑，增加粉體均勻性，選擇適當粉體加工方法，以減弱或消除顆粒間的作用力，從而減弱或消除團聚體10。細顆粒含量在一定范圍內有利于提高氧化鋁陶瓷性能，但是當5顆粒含量大于10%15%時，對燒結有明顯的妨礙作用8，因此，大小顆粒應合理級配。4氧化鋁陶瓷的成型工藝4.1成型輔助劑由于氧化鋁陶瓷成形料是以瘠性料為主，常需要加入聚乙烯醇(PVA)；聚乙烯醇縮丁醛(PVB)；聚乙二醇(PEG)；甲基纖維素(MC)；羥甲基纖維素(CMC)；乙基纖維素(EC)；羥丙基纖維素(HPC)等粘合劑。除了粘合劑外，還有潤滑劑、增塑劑、抗絮凝劑、濕潤劑、抗靜電劑、消泡劑，鰲合劑、殺菌劑等等。成型前將這些輔助劑與原料混合均化，以提高粉料的成形性能和坯體強度。4.2成型方法4.2.1模壓成型模壓成型是利用壓力將干粉在模型中壓成致密坯體的一種成型方法。模壓成型過程簡單、缺陷少。由于壓力作用，坯體晶粒接觸面大，有利于晶界移動，故燒結致密度高，但致密度不均勻。模壓成型有時會出現粉體與模壁粘結的現象，可加入1%2%硬脂酸等潤滑劑。此法適合批量生產薄板制品。4.2.2等靜壓成型該成型方法所得坯體干燥時收縮均勻，不易開裂、分層，解決了模壓成型中的不足。故等靜壓成型可生產形狀復雜、較大的制品。4.2.3注漿成型該法的關鍵是制得性能良好的漿料。為減少坯體收縮，應盡量使用高密度漿料；漿料要有良好的懸浮性、流動性、穩定性，通常要加入適當的添加劑來改善漿料的性能。此法可以用于復雜形狀制品的成型，但不適于成型壁厚懸殊、厚大截面制品，且坯體密度不高，石膏模使用時間長，其尺寸精度會下降，同時制品收縮難以控制。4.2.4凝膠注模成型凝膠注模成型是將含有有機單體的低粘度、高固相含量的陶瓷料漿澆注到不吸水的模型中，然后在引發劑和催化劑的作用下，使料漿中的有機單體交鏈聚合成三維網狀結構，從而使濃懸浮體原位固化。它可以使固相體積分數達50%60%。一般情況下。為保證凝膠固體的性能。溶液中有機單體總含量不宜過多。應控制在15%20%范圍內交聯單體凝膠單體比例110為宜。凝膠注模成型坯體氣孔分布窄、均勻，為單峰分布，可克服燒結時的不均勻收縮，提高氧化鋁陶瓷制品的可靠性，制備的陶瓷生坯可以加工，使加工成本降低，工件燒結后就可以使用16，且工藝過程短，所用設備低廉，制作成本低，加上模具多次重復使用仍能保持精度，這對要求密度均勻、精度好、形狀復雜、尺寸大的陶瓷件的制作尤為有利。4.2.5熱壓鑄成型此工藝適合制造形狀較復雜,精度要求高的中小型產品該設備簡單。操作方便，生產效率高，模具磨損少，壽命長。但工序復雜，耗能大，工期長，由于不易充滿模腔，不宜制備壁薄的大而長的制品。5燒結燒結是氧化鋁陶瓷生產中很重要的一環，它對氧化鋁陶瓷的物理化學性能有很大的影響。5.1燒結方法5.1.1常壓燒結法即在大氣條件下將坯體燒結的過程。此法燒結溫度較高，對窯爐要求也較高，能源浪費大。5.1.2熱壓燒結和熱等靜壓燒結熱壓燒結比常壓燒結溫度低得多，燒成的制品理論密度可達99%19，熱壓燒結采用預成型或將粉料直接裝入模內，工藝簡單。但它不宜生產過高、過厚、形狀復雜制品，生產規模小，成本高。熱等靜壓可以避免熱壓燒結壓力的不均勻，使制品的結構更加均勻，性能更加穩定，適用于形狀復雜制品的生產。5.1.3液相燒結法該法用低熔助劑促進材料燒結，助劑的引入一般會產生良好效果。常加入CaO、MgO、BaO等作為熔劑。液相燒結由化學反應產生液相促進擴散和粘滯流動的發生，及顆粒重排和傳質過程，降低燒結溫度，有效加速燒結。5.1.4其它燒結方法（1）氣氛燒結。即對于空氣中很難燒結的制品。為了防止其氧化。在爐膛內通入一定氣體。形成所要求的氣氛，在此氣氛下進行燒結。（2）電場燒結。即陶瓷坯體在直流電場作用下的燒結。（3）超高壓燒結。即在幾十萬個大氣壓以上的壓力下進行燒結。5.2影響氧化鋁陶瓷燒結的因素5.2.1成型方法的影響根據需要，選擇合適的成型方法，可獲得顯微結構均勻、各相分布均勻的坯體，通過控制和消除成型過程中的缺陷，可有效降低燒結溫度及坯體收縮率，加快致密化進程，減少燒結制品的機加工量。5.2.2燒結制度的影響適當提高燒結溫度，有利于擴散和燒結的進行，使燒結速度加快，促進致密化。升溫速度的控制對氧化鋁陶瓷燒結是很重要的，通常在600以下應緩慢；在10001500中溫階段要嚴格控制并盡量慢一些；在1500以上升溫速度可以加快，防止粗晶出現8。壓力也促進粉粒間的間隙減少，擴散距離縮小。5.2.3燒結氣氛的影響氣氛對氧化鋁陶瓷燒結影響很大，合適的氣氛有助于致密化。一般來說，氣氛中的氧離子分壓越低，越有利于氧化鋁的燒結20。在氫氣氣氛下燒結，由于氫原子半徑很小、易于擴散而有利于消除閉氣孔，可得到近于理論密度的燒結體。CO-氣氛可以使氧化鋁晶格中的氧離子較易失去，形成空位，加速陽離子擴散，從而有效地促進燒結，并獲得很好的致密度，比氫氣氣氛更容易燒結。5.2.4輔助劑的影響由于氧化鋁陶瓷坯料熔點很高，較難燒結，若加入某種輔助劑，則可改善燒結性能，促進燒結。5.2.5燒結方法的影響正確選擇燒結方法，是使氧化鋁陶瓷具有理想的結構及預定性能的關鍵。合適的燒結方法可有效降低燒結溫度。陶瓷常壓燒結在1800以上，熱壓（20Mpa）燒結在1500左右就能獲得接近于理論密度的制品，而高溫等靜壓燒結（400Mpa）在1000左右就已達到致密化21。6氧化鋁陶瓷的后加工處理在燒結冷卻后，有些產品還達不到應用的要求，所以要進行必要的加工處理，如修正尺寸、拋光等。為了增加氧化鋁陶瓷產品表面的致密性，一般用比氧化鋁還要硬的金剛石、SiC、等由粗到細逐級進行研磨，最終使氧化鋁陶瓷表面拋光，使陶瓷表面更加致密、光滑，可大大提高氧化鋁陶瓷使用性能。還常采用微粉或金剛石磨膏進行研磨拋光。此外，激光加工以及超聲波加工研磨及拋光的方法也有采用26。當需要特別光滑的表面時，需要用施釉的方法。還有人用離子注入法對材料表面進行加工，離子注入陶瓷是對現有增韌機理的補充，是對制備好的陶瓷產品的深加工。例如：用鎳離子對陶瓷產品進行鎳粒子注入處理后，機械強度、韌性會大大增強。現在陶瓷的金屬化也得到了迅速發展，它使陶瓷和金屬粘結在一起，便于陶瓷與金屬或陶瓷與陶瓷間的釬焊封接。7氧化鋁陶瓷的應用和發展現狀7.1機械方面瓷燒結產品的抗彎強度可達250Mpa，熱壓產品可達500Mpa。陶瓷的莫氏硬度可達到9，加上具有優良的抗磨損性能等，所以廣泛地用于制造刀具、球閥、磨輪、陶瓷釘、軸承等，其中以陶瓷刀具和工業用閥應用最廣。7.2電子、電力方面在電子、電力方面，有各種陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各種陶瓷電絕緣瓷件、電子材料、磁性材料等，其中以透明陶瓷和基片應用最廣。7.3化工方面在化工應用方面，陶瓷也有較廣泛的用途，如陶瓷化工填料球、無機微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以陶瓷膜和涂層的研究和應用最多。7.4醫學方面在醫學方面，更多的是用于制造人工骨、人工關節、人工牙齒等。陶瓷具有優良的生物相容性、生物惰性、理化穩定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關節的理想材料27。但它具有和其他陶瓷材料一樣的缺點如脆性大、斷裂韌性低、機加工技術難度高、工藝復雜等，因此需要進一步研究應用。7.5建筑衛生陶瓷方面在建筑衛生陶瓷方面，產品隨處可見，如陶瓷襯磚、研磨介質、輥棒、陶瓷保護管以及質耐火材料等。其中以球磨介質應用最廣。過去，建筑衛生陶瓷用球磨介質基本上都是燧石、鵝卵石等天然球石，隨著這些優質的天然球石資源的減少，以及它們磨損率高、效率低等缺點，球磨介質被越來越多的陶瓷廠家所使用。目前球磨介質主要包括、SiC、等。球磨介質具有合適的硬度、適中的密度、耐磨、耐腐蝕且價格低廉等特點，因此大部分的建筑衛生陶瓷方面的原材料都用Al2O3球磨介質加工28。7.6其它方面陶瓷是目前新材料中研究最多、應用最廣的材料之一，除了以上的幾種應用外，它還廣泛應用于其它一些高科技領域，如航空航天、高溫工業爐、復合增強等領域29。參考文獻 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