1、1氧化铝陶瓷及其烧结第 34 卷第 5 期 1998 年 10 月中 国 陶 瓷 CHINA CERAMICSVol.34No.5Oct.1998氧化铝陶瓷及其烧结刘大成(唐山高等专科学校 063000)X摘 要 本文介绍了氧化铝变体、氧化铝陶瓷的性质和用途。论述了氧化铝陶瓷烧结动力学并分析了影响烧结的主要因素。关键词 氧化铝 陶瓷 烧结 团聚体1 氧化铝的多晶转变氧化铝有许多同质多晶体,报导过的变体有十多种,但主要的有 A-Al2O3、B-Al2O3 、C-Al2O3 三种晶型。下图及表 1列出了 Al2O3四种变体的情况。表 2 氧化铝高温结构陶瓷的主要性能Table2 ThemainPr
2、operties2性 能密 度 g/cm3 熔 点 (C)抗弯强度 (MPa)破坏韧性 (MPam1/2)硬 度 (莫氏)热膨胀系数(10-6C-1) RT1200C 热导率 (w/m.k)电阻率 (8cm)绝缘强度 (KV/mm)3.932050509.98.06920500C6.27.520800C6.58.025.210520指 标表 1 氧化铝变体情况Table1 Thepolymorphismofthealumina变 体结 构稳定性其 它领 域特殊冶金火箭、导弹磁流体发电玻璃工业电炉工业机械工业高温下不稳定此晶型即 Li2O3Al2O3 固溶体化学工业医 学表 3 氧化铝高温结构陶
3、瓷的主要用途Table3 Themainuses3用 途熔炼纯 Pt、Pd 雷达天线保护罩陀螺仪轴承高温高速电离气流通道玻璃池室及坩埚炉膛高温观测窗刀具,磨料,拉丝模,挤压模等化学装置,热交换器人造关节,人工骨等使用条件(C)17751000胞为尖的菱结构紧密,活性低,密度高温下稳定,熔A-Al2O3,六方晶系为:3.964.01g/cm3 莫点 2050C氏硬度为 9实质上是一种含有碱土14001500C金属和/或碱金属铝酸开始分解,1600盐,化学组成近为:ROC 转变为 A-6Al2O3 和 R2O11Al2O3,2O3密度为 3.303.63g/cm3B-Al2O3C-Al2O3立方)
4、结构F-Al2O3 14 中 国 陶 瓷 1998 年第 5 期42 氧化铝陶瓷的性能及用途由于氧化铝陶瓷的性能优越,故其用途非常广泛。表 2、表 3 分别列出了氧化铝陶瓷的主要性能和主要用途。3 氧化铝陶瓷的烧结3.1 氧化铝烧结动力学 3.1.1 烧结初期动力学双球模型。3Lv2/5-6/52/5=rtL02kT式中:K0两球形颗粒中心距离L烧结后收缩值 C表面能r 球形颗粒半径 3D空位体积 t烧结时间(1)烧结中期动力学3vPc=(tf-t)(2)lkT式中:Pc烧结中期气孔率Tf空隙完全消失所需时间 l十四面体模型边长 烧结后期动力学53vPs=(tf-t)(3)32lkT式中:Ps
5、烧结后期气孔率对氧化铝烧结实验结果如图 2 所示,可见与动力学公式相符合。3.2 影响氧化铝烧结的因素影响氧化铝烧结的因素比较多,现就主要影响因素进行讨论。3.2.1 粉碎效应的影响将原料粉碎时,由于机械力作功,不仅颗粒表面发生变化,而且内部结构也产生局部变形,成为高能的活性状态。原料粉碎的颗粒越细,体系的能量越高,烧结的推动力就越大,越有利于烧结。3.2.2 粉体团聚的影响对于粉体来说,颗粒越细,越有利于烧结,这已在上面进行了论述,但是,颗粒越细越容易出现粉体的团聚。此对烧结有很大影响。细颗粒原料粉末由于范德华力和键合的作用力,产生粉体团聚。粉体团聚可用“团聚系数”AF(50)来表示。中等尺
6、寸团聚体的直径AF(50)=微粒的等价球直径6AF(50)越大,说明粉料中团聚现象越严重。AF(50)=1 说明粉料几乎没有团聚体。在 Al2O3 粉体中掺入微量 NiO,团聚系数 AF(50)为26、8、3,素坯在 1735C、氧化气氛中烧结 6 小时,其相对密度分别为 54.5%、81.1%、93.2%。可见,在含有团聚体的材料烧结时,由于团聚体内部颗粒之间距离较小,故其内部的微粒之间优先烧结,而在团聚体周围的微粒同时正常地烧结,它与团聚体晶粒形成了大小不一的非均匀的显微组织,大气孔存在于晶界上及晶粒内,既使再进一步烧结,这些气孔也无法排除,相反会引起二次重结晶。为此,团聚体的消除是影响氧
7、化铝烧结的一个关键问题,通常采用加入适当的分散剂、增加粉体的均匀性、选择适当的粉体加工方法等,以减弱或消除颗粒之间的作用力,从而减弱或消除粉体团聚体。3.2.3 添加物的影响由于氧化铝的熔点很高,极难烧结,若加入某种添加物,则可以改善烧结性能,促进烧结。氧化铝与添加物形成固溶体,可活化晶格,促进烧结。Dv体积扩散系数 k波尔兹曼常数 T温度对氧化铝烧结实验结果如图 1 所示,可见与动力学公式相符合。图 1 Al2O37在烧结初期的线收缩率图 2 AAl2O3 恒温烧结时相对密度随时间的变化关系3.1.2 烧结中期及后期动力学第 34 卷第 5 期刘大成 氧化铝陶瓷及其烧结 15 溶体。Al2O
8、3Cr2O32CrAl+3Oo 此时可以在 1860C 烧结。Al2O3在氧化铝中加入 3%TiO2 它们之间形成缺位固溶体。Al+6Oo3TiO23TiAl+V只需在 1600C 即可烧结致密化。 氧化铝与添加物作用产生液相,促进烧结。在氧化铝中加入 SiO2 和 CaO 混合添加物时,由于形成CaO-Al2O3-SiO2 玻璃 ,在较低的温度下产生液相,从而促进颗粒重排和传质过程,使烧结温度降到 1500有 C。会起到相反作用,降低氧化铝陶瓷的性能。3.2.4 气氛的影响气氛对氧化铝烧结影响很大,合适的气氛将有助于致密化。在氧化气氛下,由于氧被烧结物表面吸附或发生化学作用,使8晶体表面形成
9、正离子缺位型的非化学计量化合物,正离子空位增加,同时使闭气孔中的氧可以直接进入晶格,并和氧离子空位一样沿表面进行扩散,扩散和烧结加速,当烧结由正离子扩散控制时,氧化气氛或氧分压较高则有利于正离子空位形成,促进烧结,对负离子扩散控制时,还原气氛或较低的氧分压将导致氧离子空位产生并促进烧结。在氢气氛下烧结,由于氢原子半径很小,易于扩散而有利于闭气孔消除。在氧化铝中添加 0.25%的氧化镁,氢气氛下烧结可得到近于理论密度的烧结体。效地加速烧结的进行。添加物可以抑制晶粒异常长大,促进烧结。氧化铝烧结后期晶粒长大,对烧结致密化有重要作用,但晶粒的过快长大即二次重结晶会使晶粒变粗,晶界变宽,出现反致密化现
10、象,并影响制品的显微组织结构。MgO 加入到 Al2O3 中,由于形成镁铝尖晶石分布于氧化铝颗粒之间,抑制了晶粒异常长大,并促使气孔的排出。故可促进致密化,获得致密氧化铝透明陶瓷。ZrO2 粒子加入到 Al2O3 中,研究表明(实验结果见图 3、图 4),由于 ZrO2 被分散到 Al2O3 晶界上,它可以有效地抑制Al2O3 晶粒长大,Al2O3 晶粒尺寸 D 与分散相 ZrO2 粒子半径 r 比值是分散相 ZrO2 体积分数的函数 ,即 D/r=f(v)(v 是分散相 ZrO2 的体积分数)。当 ZrO2 加入量一定时,D/r 为一9常数,它不依赖于烧结温度,且 ZrO2 粒子加入量增加时
11、,D/r比值下降;ZrO2 加入量一定时,r 越小,则 D 越小。可见,有效地抑制 Al2O3 晶粒长大,促进烧结的进行,添加物 ZrO2 的加入量要多、粒度要小。图 4 Al2O3 晶粒尺寸和 ZrO2 分散粒子半径的比值与烧结时间的关系关于烧结气氛的选择,要多方面进行考虑,得出最为合适的烧结气氛。4 结 语氧化铝陶瓷性能优良,广泛应用于各个行业,但其性能主要取决于烧结。随着材料科学的发展,对氧化铝陶瓷烧结的研究,尤其是氧化铝粉体及添加物对烧结的影响将更加深入。氧化铝陶瓷的应用也将更加广泛。参考文献1 浙江大学等四院校合编,硅酸盐物理化学,中国建筑工业出版社,1980.图 3 1600C 纯 Al2O3 和分散 ZrO2 的 Al2O3陶瓷晶粒生长的比较2 王零森,特种陶瓷,中南工业大学出版社,19943 刘大成,中国陶瓷,Vol.32No.2,34-36.104 崔国文,缺陷、扩散与烧结,清华大学出版社,1990.5 K.OkadaandT.SakumaBritishCeramicTransactions,Vol.93关于添加物对烧结的影响问题,要在保证氧化铝陶瓷性能的前提下,注意适当选择添加物的种类、数量和颗粒百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆
