影響Al2O3陶瓷低溫燒結(jié)的因素

       Al2O3陶瓷是目前世界上生產(chǎn)量最大、應用面最廣的陶瓷材料之一，廣泛應用在機械、電子、化工、航天等領域，具有強度高、硬度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。但氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度比較高，需要消耗大量能源，對設備要求高。從節(jié)約資源，減少成本的角度，低溫燒結(jié)氧化鋁陶瓷技術逐漸被應用。那么影響Al2O3陶瓷低溫燒結(jié)的因素有哪些呢？

在生產(chǎn)Al2O3陶瓷時，根據(jù)Al2O3含量的不同可分為：75瓷(75%Al2O3)、85瓷(85%Al2O3)、95瓷(95%Al2O3)、99瓷(99%Al2O3)。

Al2O3顆粒尺寸的影響

在陶瓷燒結(jié)過程中，燒結(jié)動力主要來源于顆粒表面積的減少，顆粒的尺寸和氣孔的形狀都在不斷地發(fā)生變化。

小尺寸顆粒比表面積大、表面活性高，所以可以降低其燒結(jié)溫度和燒結(jié)活化能，進而提高燒結(jié)體的密度以及力學性能。

Al2O3顆粒尺寸越小，燒結(jié)性能越好，更大的比表面積增加了燒結(jié)驅(qū)動力和擴散速率，坯體中的氣孔更容易被壓縮，陶瓷的密度以及力學性能進一步提升。

但是小尺寸顆粒流動性較差，不利于干壓成形，干壓成形受力是單面受力，導致坯體內(nèi)部密度不均勻，影響燒結(jié)體的致密性。

等靜壓成形利用液壓可以使粉體各個方向受到相同的力，即使小尺寸顆粒的流動性很差，也可以提升坯體內(nèi)部均勻性，進而提高燒結(jié)體的密度與力學性能，但是等靜壓成形只適合形狀簡單的坯體。

燒結(jié)助劑的影響

目前普遍認為燒結(jié)助劑可分為兩類：一類與Al2O3形成固溶體，為固相燒結(jié)；另一類與Al2O3形成液相，為液相燒結(jié)。通過固溶體或液相的晶粒擴散，使Al2O3粉體在較低溫下實現(xiàn)致密化燒結(jié)。

【固相燒結(jié)】

固相燒結(jié)主要靠界面移動和質(zhì)點擴散兩種途徑實現(xiàn)燒結(jié)。生成固相的燒結(jié)助劑一般有TiO2、MnO2、Fe2O3、Cr2O3、Nb2O5等。

與液相燒結(jié)相比，固相燒結(jié)致密度較差，但體積變化不大，高溫性能相對較好，若配合特殊燒結(jié)方法(熱等靜壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)、電場燒結(jié)、超高壓燒結(jié)等)結(jié)合使用，可以克服這種添加劑帶來的一些缺陷。

【固相燒結(jié)】

液相燒結(jié)主要靠流動傳質(zhì)的方式來實現(xiàn)燒結(jié)。生成液相的燒結(jié)助劑有SiO2、CaO、MgO、ZnO等。

燒結(jié)助劑有很強的滲透能力，通過添加低熔點氧化物燒結(jié)助劑在燒結(jié)階段形成液相，在較大的程度上降低粉體的燒結(jié)激活能，從而促進燒結(jié)過程中物質(zhì)遷移和傳遞，達到Al2O3陶瓷致密化的目的。

總結(jié)：

固相燒結(jié)主要與顆粒尺寸和活性、燒結(jié)溫度、成形壓力等因素有關，液相燒結(jié)與液相性質(zhì)、液-固潤濕情況、固相在液相中的溶解度等有關。

燒結(jié)方法的影響：

【熱壓燒結(jié)】

熱壓燒結(jié)是加壓燒結(jié)和加壓成形同時進行的一種燒結(jié)工藝，該燒結(jié)方法可以大幅度縮短燒結(jié)周期，制得致密度很高和晶粒很細的陶瓷。

采用熱壓雖然可以提高Al2O3陶瓷材料的力學性能，但是制備的陶瓷形狀簡單，生產(chǎn)效率低。

【熱等靜壓燒結(jié)】

熱等靜壓法跟熱壓燒結(jié)相似，是在高溫和高壓聯(lián)合作用下強化壓制與燒結(jié)的過程。主要特點是大大降低陶瓷的燒結(jié)溫度，消除其內(nèi)部孔隙，提高材料的致密度和強度。

熱等靜壓法雖然能改善Al2O3陶瓷的性能，但是其生產(chǎn)效率低，成形的形狀與結(jié)構(gòu)簡單，適合于有特殊要求的陶瓷。

【微波燒結(jié)】

微波燒結(jié)是利用微波電磁場中的介電損耗材料而使陶瓷坯體表面和內(nèi)部同時加熱的燒結(jié)過程。

微波燒結(jié)克服了燒結(jié)體形狀簡單的缺點，此外微波燒結(jié)的陶瓷內(nèi)部組織均勻，綜合性能高于傳統(tǒng)燒結(jié)的陶瓷。

【放電等離子燒結(jié)】

放電等離子燒結(jié)又稱脈沖電流燒結(jié)，是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時高溫場來實現(xiàn)的燒結(jié)過程。

放電等離子燒結(jié)法可以縮短燒結(jié)時間、降低燒結(jié)溫度、提高陶瓷性能，所制備的Al2O3陶瓷組織均勻、綜合性能好。

【真空燒結(jié)】

真空燒結(jié)是指在一定的負壓和溫度下對Al2O3陶瓷坯體進行燒結(jié)。不同于熱壓燒結(jié)，真空燒結(jié)爐內(nèi)處于負壓環(huán)境，有利于坯體內(nèi)部氣體逸出，提高燒結(jié)體的致密性。

真空燒結(jié)法一般適用于透明陶瓷制備，可以大大提高燒結(jié)體的密度，尤其針對形狀復雜的坯體，陶瓷材料的性能提升顯著，但是其燒結(jié)工藝復雜，設備昂貴，不適合大批量生產(chǎn)。

總結(jié)：

在Al2O3顆粒尺寸方面，雖然顆粒尺寸細小可以促進燒結(jié)，但是細化顆粒一方面增加成本，另一方面顆粒尺寸細小更容易發(fā)生團聚，并且在燒結(jié)加熱階段，晶粒越細越容易長大，給研究帶來一定困難。

燒結(jié)助劑雖然可以實現(xiàn)低溫燒結(jié)，但是在固相燒結(jié)中陶瓷致密性較差，想要達到理論密度必須配合新型燒結(jié)方法。

在燒結(jié)方法方面，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)可以在較低的溫度下完成燒結(jié)致密過程，但是只能制備形狀簡單的小件陶瓷，生產(chǎn)效率極低，不適合大規(guī)模使用，尤其是熱等靜壓燒結(jié)必須對粉體進行包封，所以也很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。放電等離子法加熱速度快、受熱均勻，所得的樣品晶粒均勻、致密度高。

參考文獻：Al2O3陶瓷低溫燒結(jié)性能影響因素的研究進展