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氧化铝陶瓷低温烧结的研究现状和发展前景
发布时间:2018-02-07 04:13:04 浏览次数:614次

随着科学技术的发展,特别是能源、空间技术的发展,对材料的性能要求也越来越高。氧化铝陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐腐蚀,并且具有良好的机电性能,广泛应用于电子、机械、化工工业。如利用其机械强度较高,绝缘电阻较大的性能,可以用作真空器件、电路基板等;利用其耐高温性,可以用作坩埚、钠光灯管等;利用其稳定的化学性能,可以用作生物陶瓷、催化载体等。
要显著降低高性能陶瓷的能耗,明显降低其生产成本,推动陶瓷产品的产业化,实现陶瓷的低温快速烧结是关键。
研制烧结温度低的氧化铝陶瓷,可以从制备工艺入手,在原料选择、粉体处理、成型和烧结方法上进行改善,以降低烧结温度和缩短烧结时间。
2低温烧结的影响因素2.1氧化铝超细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,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状态,质点迁移需要较高的活化能,即活性较低。采用晶粒小、比表面积大、表面活性高的单分散超细Al23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.Herin1换算法则可知(具体颗粒尺寸与烧结温度的对应数值见表1),如果颗粒的尺寸能降低到20hm以下,则烧结温度能降低到1000°C以下,且AI2O3陶瓷的晶粒尺寸可减到100nm以下。
表1粉体颗粒尺寸与烧结温度的关系(烧结扩散活化能Q=418KJ/mol)颗粒直径(m)烧结温晶格扩散度(C)晶界扩散J.HPoig等以粒径为为原料,用Ar―O2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4~8nm的Al23生坯烧结15min能完全致密。而晶粒尺寸为50~1⑴nm的AI2O3生坯在相同的条件下烧结,相对密度只能达到理论密度的89%.AkiraNakajimi4等以颗粒尺寸为0. 8rtn的高纯Al2O3为原料,以MgO和SiO2为添加剂进行常压烧结,烧结温度为1460°C.实验发现,颗粒尺寸为。
2/m的Al2O3坯体在100min后几乎完全致密(相对密度大于98%),而颗粒尺寸为1.8rtn坯体却远没致密(相对密度小于85 %),相对密度随时间的变化关系见图l.这同时也说明了Al2O3颗粒越细,就越容易烧结,烧结温度也就越低。现在我国超细Al,O3粉料料源充足,价格便宜,有利于开展此项研制工作,并能进行低成本工业生产。
2.2粉体的冲击波处理冲击波处理氧化铝超细粉,粉料在受冲击波处理时,使原来比较完整的晶体结构受到不同程度的破坏,因而使晶格中出现位锂5,部分原子不同程度的偏离正常晶格的位置,形成势能较高的介稳状态。由于这些缺陷能的存在,使缺陷处质点活性加大,更容易超脱原来位置的束缚,而进入另一运动状态。这些活化粉料将大大有利于传质过程的进行,从而降低烧结活化能和烧结温度。
2.3低温烧结的方法陶瓷生坯在加热过程中不断收缩,并在低于熔点温度粉体粒度对致密度的影响下变成致密、坚硬的具有某种显微结构的多相烧结体。烧结时,主要发生晶粒尺寸及外形的变化和气孔及形状的变化。生坯气孔是连通的,颗粒之间是点接触。在烧结温度下,以表面能的减少为驱动力,物质通过不同的扩散途径向颗粒点接触的颈部和气孔部位填充,使颈部逐渐扩大,减小气孔体积,细小颗粒之间开始形成晶界,并不断扩大使坯体致密化。连通的气孔缩小为孤立的气孔,分布在几个晶粒交界处。晶界上的物质继续向气孔扩散,使之进一步致密化,直到气孔基本排除。要降低氧化铝陶瓷的烧结温度,通常可以采取以下烧结方法。
2.3.1液相烧结在烧结氧化铝陶瓷时加入少量添加剂,可形成低熔点的玻璃相,粘接分散的晶相,当添加剂与烧结物形成固溶体时,将使晶格畸变而得到活化,故可降低烧结温度。生成的玻璃相沿各颗粒的接触界面分布,原子通过液体扩散传输,扩散系数大,使烧结速度加快。AkiraNakajima和GrayL.Messin以0.2rtn的Aip3(纯度>99.99%)为主原料,选择MgO―AI2O3―S2系助熔剂,在1460°C下烧结10Qmin,得到烧结体的相对密度是理论密度的97%,而0.2rtn的AI2O3在同样的时间内要达到同样的致密度需1500C以上的高温,是氧化铝陶瓷相对密度随时间的变化关系。薄占满6等选用高纯超细AI2O3为原料,选择CaO―MgO ~143C的低温下烧结,得到晶粒大小约为0.6Fm的细晶氧化铝瓷。ZUlal等用B2O3作为添加剂,在1450C下烧结a-A2O3,得到烧结体的密度为理论密度得到的烧结体密度大于理论密度的95%.液相烧结由于工艺简单,成本低廉,又能在较低的温度下制得性能良好的氧化铝陶瓷,所以在工业生产中得到广泛的应用。
2.3.2热压烧结采用热压烧结,即在高温下同时施加单向轴应力,可以使烧结体达到全致密(理论密度)。与普通烧结相比,在15MPa压力下4压烧结温度降低20<0Ca烧结体密度却却提1添加剂对氧化铝陶瓷致密度的影响高2%,并且这种趋势随压力增加而加剧。就氧化铝而言,常压下普通烧结,必须烧至1800C的高温;热压((MPa)只需烧至15⑴C左右。中国科学院上海硅酸盐研究所f10对商用―AI2O3粉体预处理后,在1450C下进行热压烧结,制备了晶粒尺寸为0.5rtn、抗弯强度为5⑴±45MPa的高性能细晶粒纯氧化铝陶瓷材料。当以MgO为添加剂进行进一步研究,在相同的工艺条件下制备了相对密度为99.3%,抗弯强度为584±51MPa的氧化铝陶瓷。热压烧结是一种强化烧结,压力的作用促进了颗粒内空位(或原子)流动,同时将压力的影响和表面能一起作为热驱动力,强化了扩散的作用。热压烧结由于在较低的温度下烧结,就抑制了晶粒的生长,所得的烧结体致密,晶粒细小,强度较高。
2.3.3热等静压烧结法热等静压烧结是对坯体加热同时对其施加各向同性等静压的烧结,使陶瓷坯体能在较低的温度下烧结,使常压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,性能良好。然而热等静压烧结工艺虽可以降低陶瓷的烧结温度,获得复杂形状的物件,但热等静压烧结需要对素坯进行包封或者预烧结,压力条件比较苛刻,所以也很难实现工业化生产。
23.4微波加热烧结法它是利用微波与介质相互作用,因介电损耗而使陶瓷坯体表面和内部同时加热而烧结。微波烧结不同于普通的烧结,气热流方向是由里向外的,有利于坯体内的气体向表面扩散并溢出;同时微波使粒子的活性提高,易于迁移,从而促进致密化过程。与常规烧结方法相比,陶瓷微波烧结方法能加速加热和烧结,因内外整体加热,温度场均匀,热应力小,且具有能效高、无污染等优点。微波烧结可实现低介质损耗ZTA陶瓷快速致密化,烧结温度比常规烧结降低100C~150C与常规无压烧结相比烧结时间减少近一个数量级。在相同成分和温度下,微波烧结体的密度明显高于常压烧结体的密度,与热压烧结的相当。清华大学材料系先进陶瓷和和精细工艺国家重点实验赛统地研究了Zr2增禚AI2O3陶瓷的微波烧结技术,示出了微波烧结曲线和相对密度的变化关系。通过对试样力学性能的测试12发现,微波烧结试样的K1C:和均高于常规烧结。微波烧结解决了常压烧结密度低、热压烧结只能烧结形状简单物品的缺点,且内部晶粒细小,均匀性好,材料断裂禚性高于常规烧结。
2.3.5微波等离子体烧结关于微波等离子烧结能提高致密度已有大量的报道。Bemett等以纳米Al23为原料,用Ar―O2混合气体作为等离子气体进行微波等离子体烧结。
15rrin后坯体的相对密度达到理论密度的99%.而用传统烧结在相同的温度下烧结15min,坯体的相对密度只达到理论密度的63%.等离子烧结加速致密的一个原因可能是快速加热,快速加热减小了由于表面扩散(主要发生在传统烧结的低温阶段)而引起的晶粒粗化,为晶界扩散和体积扩散提供了较强的驱动力和较短的扩散途径,从而导致了陶瓷显微结构的细化14151.氧化铝的等离子烧结机理与传统烧结一样,都是铝离子的晶界扩散。

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