特种氧化铝陶瓷的热压烧结方法有哪几种

　一、通过提高Al2O3粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。

与块状物相比，粉体具有很大的比表面积，这是外界对粉体做功的结果。利用机械作用或化学作用来制备粉体时所消耗的机械能或化学能，部分将作为表面能而贮存在粉体中，此外，在粉体的制备过程中，又会引起粉粒表面及其内部出现各种晶格缺陷，使晶格活化。由于这些原因，粉体具有较高的表面自由能。粉体的这种表面能是其烧结的内在动力。因此，Al2O3粉体的颗粒越细，活化程度越高，粉体就越容易烧结，烧结温度越低。在氧化铝瓷低温烧结技术中，使用高活性易烧结Al2O3粉体作原料是重要的手段之一，因而粉体制备技术成为陶瓷低温烧结技术中一个基础环节。

目前，制备超细活化易烧结Al2O3粉体的方法分为二大类，一类是机械法，另一类是化学法。机械法是用机械外力作用使Al2O3粉体颗粒细化，常用的粉碎工艺有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、气流粉碎等等。通过机械粉碎方法来提高粉料的比表面积，尽管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒径小至1μm左右或更细一点，而且有粒径分布范围较宽，容易带入杂质的缺点。近年来，采用湿化学法制造超细高纯Al2O3粉体发展较快，其中较为成熟的是溶胶—凝胶法。由于溶胶高度稳定，因而可将多种金属离子均匀、稳定地分布于胶体中，通过进一步脱水形成均匀的凝胶(无定形体)，再经过合适的处理便可获得活性极高的超微粉混合氧化物或均一的固溶体。目前此法大致有以下3种工艺流程。(1)形成金属氧有机基络合物溶胶→水解并缩合成含羟基的三度空间高分子结构→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成活性氧化物粉料。(2)含有不同金属离子的酸盐溶液和有机胶混合成溶液→溶胶蒸发脱水成凝胶→低温煅烧成粉体。(3)含有不同金属离子的溶胶直接淬火、沉积或加热成凝胶→低温煅烧成粉体。湿化学法制备的Al2O3粉体粒径可达到纳米级，粒径分布范围窄，化学纯度高，晶体缺陷多。因此化学法粉体的表面能与活性比机械法粉体要高得多。采用这种超细Al2O3粉体作原料不仅能明显降低氧化铝瓷的烧结温度(可降150℃—300℃)，而且可以获得微晶高强的高铝瓷材料。表二是日本住友化学有限公司生产的易烧结Al2O3粉料理化指标。

此外，有专家推荐以下三种超细Al2O3粉体制备方法，仅供参考：(1)将(NH4)SO4Al2(SO4)3·2H2O与(MgCO3)4Mg(OH)2·5H2O混合、加热到1200℃分解，可获得含有MgO的纯度为99%、粒度为02～05μm的α—Al2O3超细粉料。(2)将无水二醋酸铝加热到1200℃保温3小时以上，可获得粒度小于05μm的α—Al2O3超细粉体。(3)铁筒钢球，湿磨数百小时，浆料加热酸洗除铁，浮选，反复多次，可制取粒度03—05μm的α—Al2O3超细粉料。

二、通过瓷料配方设计掺杂降低瓷体烧结温度

氧化铝陶瓷的烧结温度主要由其化学组成中Al2O3的含量来决定，Al2O3含量越高，瓷料的烧结温度越高，除此之外，还与瓷料组成系统、各组成配比以及添加物种类有关。比如，在Al2O3含量相当时，CaO-Al2O3-SiO2系Al2O3瓷料比MgO-Al2O3-SiO2系瓷料的烧结温度低，对于我国目前大量生产的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系统瓷料而言，为使其具有较低的烧结温度与良好性能，应控制其SiO2／CaO处于16～06之内，MgO含量不超过熔剂类氧化物总量的1／3，同时，在配方中引入少量的La2O3、Y2O3、Cr2O3、MnO、TiO2、ZrO2、Ta2O3等氧化物能进一步降低烧结温度、改善瓷体的微观组织结构和性能。因此，在保证瓷体满足产品使用目的和技术要求的前提下，我们可以通过配方设计，选择合理的瓷料系统，加入适当的助烧添加剂，使氧化铝陶瓷的烧结温度尽可能降低。

目前配方设计中所加入的各种添加剂，根据其促进氧化铝陶瓷烧结的作用机理不同，可以将它们分为形成新相或固溶体的添加剂和生成液相的添加剂二大类。

1、与Al2O3形成新相或固溶体的添加剂。

这类添加剂是一些与氧化铝晶格常数相接近的氧化物，如TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等，在烧成中，这些添加物能与Al2O3生成固溶体，这类固溶体或为掺入固溶体(如Ti4＋置换Al3＋时)，或为有限固溶体，或为连续固溶体(如Cr2O3与Al2O3形成的)，它们可以活化晶格(TI4＋、Al3＋离子半径差所致)、形成空穴或迁移原子，(3TiO2AbO33Tia1＋Va1＋60)以及使晶格产生变形，这些作用使得Al2O3陶瓷易于重结晶而烧结。例如添加05～10%的TiO2时，可使瓷体的烧结温度下降150—200℃。以固相烧结方式为主的高铝瓷常采用这类添加剂，例如某黑色氧化铝陶瓷配方如下(wt%)：Al2O391、CoO05、MnO237、Cr2O321、SiO204、TiO220、V2O303，该瓷料在1350℃下保温2小时烧成。

这类添加剂促进氧化铝瓷烧结的作用具有一定的规律性：①能与Al2O3形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温作用更大；②可变价离子一类添加剂比不变价的添加剂的作用大；③阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。需要注意的是，由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的(重结晶烧结)，故晶体内的气孔较难填充，气密性较差，因而电气性能下降较多，在配方设计时要加以考虑。

2、烧成中形成液相的添加剂。

这类添加剂的化学成分主要有SiO2、CaO、MgO、SrO、BaO等，它们能与其它成分在烧成过程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成温度低，因而大大地降低了氧化铝瓷的烧结温度。当有相当量(约12%)的液相出现，固体颗粒在液相中有一定的溶解度及固相颗粒能被液相润湿时，其促进烧结作用也更显著。其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。这样，烧结过程中小晶体不断长大，气孔减小，出现重结晶。为了防止因重结晶使晶粒过分长大，影响陶瓷的机械性能，在配方设计中需考虑选用一些对晶粒增大无影响甚至能抑制晶粒增大的添加物，如MgO、CuO和NiO等。

目前，在液相烧结的Al2O3瓷料配方中，助烧添加剂可以采用以下3种物料形态来加入。①以天然矿物形态加入。这类矿物原料主要有：高岭土、膨润土等粘土矿。石英、滑石、菱镁矿、白云石、方解石等等，它们分别引入SiO2、MgO、CaO等化学成分。配方中高岭土及其它粘土矿物的使用，除了满足瓷体化学组成要求外，更主要可以改善坯料的成型性能。添加剂的这种加入形式适用于Al2O3含量在90%以下的中铝瓷配料，例如某低温烧结75瓷配方如下(wt%)：煅烧Al2O365、高岭土24、膨润土2、BaCO34、方解石3、生滑石2。

②、以人工合成添加剂形态加入。此法是在CaO-Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2、CaO-MgO-Al2O3-SiO2等三元、四元或其它相图中找到最低共溶物的组成点，预先按组成点的成分将CaO、MgO、SiO2、Al2O3等所需化合物进行第一次配料，经球磨、煅烧成为低共熔物，即“人工合成添加剂”，然后按一定配比将人工合成添加剂与Al2O3粉料进行第二次配料，以满足氧化铝陶瓷化学组成和性能要求。此法纯度高，主要用于降低化学组成准确、性能要求高的高铝瓷烧结温度，缺点是工艺复杂，能耗高，制品成本高，只在特殊情况下采用。

③以化工原料形态加入。在配料时，直接将各种化工原料作为添加剂与Al2O3粉体一起一次完成配料，各助烧添加剂的组成比例仍然是参照专业相图中最低共熔点的组成来设定。生产实践证明，此法不仅与人工合成添加剂法具有同样的降温效果，而且大大简化了工艺，无论配方设计、配料计算和工艺过程都比人工合成添加剂法简便，也比天然矿物形态更容易，瓷质性能稳定，节能效益显著。在实际生产中，从降低成本和坯料成型性能方面考虑，天然矿物原料和化工原料往往是同时使用的。例如某低温烧成(1500℃×2h)的高铝瓷配方如下(wt%)；α-Al2O393、苏州土3、烧骨石2、CaCO315、BaCO305、外加ZrO2、CeO2、La2O32%。

三、采用特殊烧成工艺降低瓷体烧结温度

采用热压烧结工艺，在对坯体加热的同时进行加压，那么烧结不仅是通过扩散传质来完成，此时塑性流动起了重要作用，坯体的烧结温度将比常压烧结低很多，因此热压烧结是降低Al2O3陶瓷烧结温度的重要技术之一。目前热压烧结法中有压力烧结法和高温等静压烧结法(HIP)二种。HIP法可使坯体受到各向同性的压力，陶瓷的显微结构比压力烧结法更加均匀。就氧化铝瓷而言，如果常压下普通烧结必须烧至1800℃以上的高温，热压20MPa烧结，在1000℃左右的较低温度下就已致密化了。

热压烧结技术不仅显著降低氧化铝瓷的烧结温度，而且能较好地抑制晶粒长大，能够获得致密的微晶高强的氧化铝陶瓷，特别适合透明氧化铝陶瓷和微晶刚玉瓷的烧结。

此外，由于氧化铝的烧结过程与阴离子的扩散速率有关，而还原气氛有利于阴离子空位的增加，可促进烧结的进行。因此，真空烧结、氢气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。

在生产实践中，为获得最佳综合经济效益，上述低烧技术往往相互配合使用，其中加入助烧添加剂的方法相对其它方法而言，具有成本低、效果好、工艺简便实用的特点。在中铝瓷、高铝瓷和刚玉瓷的生产中被广泛使用。另外，从材料角度来看，通过掺杂改性技术，大幅度提高氧化铝陶瓷的各项机电性能，用Al2O3含量低的瓷体代替Al2O3含量高的瓷体，也是企业常用的降低氧化铝陶瓷产品烧结温度的有效技术手段。比如在材料性能满足产品使用要求下，用85瓷代替90瓷或95瓷，用90瓷、95瓷代替99瓷等都是可行的。

虽然氧化铝瓷低烧技术已取得较好的经济效益，但仍有潜力可挖，目前仍有一些产品，从材料的特殊性能要求和高温状态下器件的尺寸稳定性考虑，仍然采用高温烧结，如何将这类产品的烧结温度也降下来，是今后瓷体掺杂改性等低烧技术的努力方向。

烧结时间过长和温度过高都会导致颜色发红。

陶瓷烧结是坯体在高温下致密化过程和现象的总称。

随着温度升高，陶瓷坯体中具有比表面大，表面能较高的粉粒，力图向降低表面能的方向变化，不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排除，产生收缩，使坯体成为具有一定强度的致密的瓷体。

氧化铝陶瓷的烧结是通过表面张力来使物质迁移而得到实现，采用纯度高，粒径小, 比表面积大, 表面活性高的单分散超细Al2O3粉料, 由于颗粒间扩算距离短, 只需要较低的烧结温度和烧结活化能。另外, 氧化铝颗粒粒度的分布范围要尽可能的窄, 颗粒均匀，如果极细的颗粒中间夹杂着个别大颗粒, 烧结得到的产品性能很差。加入1-5%的高纯纳米氧化铝（VK-L30） ，可以使Al2O3瓷的烧结温度降低50-150℃ ，增加韧性、白度、纯度，不易碎瓷，并且大大节约能源，大大提高了产品质量。

活化热压烧结的方法。假设要提高氧化铝陶瓷的烧结速度和制品密度，采取的是活化热压烧结的措施，氧化铝陶瓷是一种以氧化铝为主体的陶瓷材料，用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性，需要注意的是需用超声波进行洗涤。

将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在1μm以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99%外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，一般为重量比在10－30%的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150－200温度下均匀混合，以利于成型操作。采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1～2%的润滑剂，如硬脂酸，及粘结剂PVA。

欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Al203喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度小于30℃。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。 氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。近几年来国内外又开发出压滤成型、直接凝固注模成型、凝胶注成型、离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。不同的产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。

摘其常用成型介绍：

1、干压成型：氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1mm，长度与直径之比不大于4∶1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种，可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa。产量每分钟可达15～50件。由于液压式压机冲程压力均匀，故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施加压力大小因粉体充填多少而变化，易导致烧结后尺寸收缩产生差异，影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大。粉体颗粒以大于60μm、介于60～200目之间可获最大自由流动效果，取得最好压力成型效果。

2、注浆成型法：注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形复杂的部件。注浆成型的关键是氧化铝浆料的制备。通常以水为熔剂介质，再加入解胶剂与粘结剂，充分研磨之后排气，然后倒注入石膏模内。由于石膏模毛细管对水分的吸附，浆料遂固化在模内。空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出。为减少坯体收缩量、应尽量使用高浓度浆料。

氧化铝陶瓷浆料中还需加入有机添加剂以使料浆颗粒表面形成双电层使料浆稳定悬浮不沉淀。此外还需加入乙烯醇、甲基纤维素、海藻酸胺等粘结剂及聚丙烯胺、阿拉伯树胶等分散剂，目的均在于使浆料适宜注浆成型操作。

氧化铝陶瓷是以氧化铝为主体的陶瓷材料。有较好的传导性，耐磨性好，不溶于水，常温不导电，能溶于无机酸和碱性溶液中，能代替金属材料，分为高纯型和普通型。

分为3N高纯度氧化铝（纯度99.9%)4N高纯度氧化铝（纯度99.99%)，主要运用于节能灯行业，稀土三基色荧光粉；5N高纯度氧化铝（纯度99.999%)，主要运用于制作蓝宝石晶体和锂电池隔膜领域。

氧化铝陶瓷分为高纯型与普通型两种。

高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650—1990℃，透射波长为1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚；利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。

普通型氧化铝陶瓷系按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。

1. 硬度大

经中科院上海硅酸盐研究所测定，其洛氏硬度为HRA80-90，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。

2. 耐磨性能极好

经中南大学粉末冶金研究所测定，其耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。根据我们十几年来的客户跟踪调查，在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。

3. 重量轻

其密度为3.5g/cm3，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。

氧化铝陶瓷主要技术指标

氧化铝陶瓷含量 ≥92%

密度 ≥3.6 g/cm3

洛氏硬度 ≥80 HRA

抗压强度 ≥850 Mpa

断裂韧性KΙC ≥4.8MPa·m1/2

抗弯强度 ≥290MPa

导热系数 20W/m.K

热膨胀系数： 7.2×10-6m/m.K

氧化铝陶瓷的性能与应用

1. 性能

(1)机械强度高。Al2O3瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa。 Al2O3成分愈纯，强度愈高。强度在高温下可维持到900℃。利用其机械强度，可以制成装置瓷和其他机械构件。添加纳米氧化铝烧结的陶瓷强度提高，不容易断裂。

(2)电阻率高，电绝缘性能好。常温电阻率1015Ω·cm，绝缘强度15kV/mm。利用其绝缘性和强度，可以制成基板、管座、火花塞、电路管壳等。

(3)硬度高。莫氏硬度为9，加上优良的抗磨损性，广泛用以制造磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。

(4)熔点高，抗腐蚀。熔点2050 ℃，能较好地抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金属的侵蚀。对NaOH、玻璃、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗能力。因此可用作耐火材料、炉管、玻璃拉丝坩埚、空心球、热电偶保护套等。

(5)化学稳定性优良。许多复合的硫化物、磷化物、氯化物、氧化物等以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸均不与Al2O3作用。因此Al2O3可以制成坩埚、人体关节、人工骨、羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿等。

(6)光学特性。可以制成透光材料（透光Al2O3瓷），用以制造钠蒸汽灯管、微波整流罩、红外窗口、激光振荡元件等。

(7)离子导电性。用作太阳能电池材料和蓄电池材料。

高纯纳米三氧化二铝技术指标：

型号 外观 晶型 粒径 含量 比表面积 m2/g

VK-L300N 白色粉末 a相 1-10um 99.9999% 3-6

VK-L200N 白色粉末 a相 5-10um 99.9999% 3-6

VK-L30G 白色粉末 a相 30nm 99.999% 10-20

VK-TTG 白色粉末 a相 0.3um 99.999% 5-10

VK-L500G 白色粉末 a相 0.5um 99.999% 5-10

VK-L20YG 白色粉末 γ相 10-20nm 99.999% 100-150

VK-L30 白色粉末 a相 30nm 99.99% 10-20

VK-L100 白色粉末 a相 100nm 99.99% 5-10

VK-L150 白色粉末 a相 150nm 99.99% 5-10

VK-L300 白色粉末 a相 300nm 99.99% 5-10

VK-L500 白色粉末 a相 500nm 99.99% 5-10

VK-TT 白色粉末 a相 0.3um 99.99% 5-10

VK-L20M 白色粉末 混晶 10-20nm 99.99% 100±10

VK-L30M 白色粉末 混晶 30-50nm 99.99% 50±10

VK-L20Y 白色粉末 γ相 10-20nm 99.99% 150-200

VK-L30D 白色粉末 γ相 30nm 99.99% 100-150

VK-L50Y 白色粉末 γ相 50nm 99.99% 100-150

应用范围：

用量：推荐用量为10左右％，使用者应根据不同体系经过试验决定添加量。

添加纳米氧化铝到陶瓷中不仅可以改善陶瓷的烧结性能，而且可以大幅度地提高氧化铝陶瓷的强度和硬度，陶瓷耐摔，耐高温老化，经久耐用。加入10%~15%的高纯纳米氧化铝

（VK-L30），促进烧结活性，使普通氧化铝陶瓷可以降低烧结温度70-100度。同时还可以减少氧化铝陶瓷的气孔率，提高体积密度。