基本介紹
- 中文名：氧化鋁陶瓷
- 外文名：alumina whiteware
- 主體：氧化鋁
- 類型：陶瓷材料
- 套用：厚膜積體電路
- 特性：較好的傳導性、機械強度
基本資料,類別,製作工藝,粉體製備,成型方法,燒成技術,特點,燒結設備,技術指標,現狀及趨勢,
基本資料
氧化鋁陶瓷的技術日漸的成熟，但有些指標還有待改善，這需要大家共同的研究。
同時，關於氧化鋁陶瓷的一些性能參數，也希望大家明確的提出，讓研究者和廠家可以根據用戶的要求來研究設計，不至於沒有目的。
類別
氧化鋁陶瓷分為高純型與普通型兩種。
高純型氧化鋁陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的陶瓷材料，由於其燒結溫度高達1650—1990℃，透射波長為1～6μm，一般製成熔融玻璃以取代鉑坩堝；利用其透光性及可耐鹼金屬腐蝕性用作鈉燈管；在電子工業中可用作積體電路基板與高頻絕緣材料。
普通型氧化鋁陶瓷系按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用於製作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，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瓷中由於常摻入部分滑石，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。
製作工藝
粉體製備
將入廠的氧化鋁粉按照不同的產品要求與不同成型工藝製備成粉體材料。粉體粒度在1μm以下，若製造高純氧化鋁陶瓷製品除氧化鋁純度在99．99%外，還需超細粉碎且使其粒徑分布均勻。採用擠壓成型或注射成型時，粉料中需引入粘結劑與可塑劑，一般為重量比在10－30%的熱塑性塑膠或樹脂有機粘結劑應與氧化鋁粉體在150－200溫度下均勻混合，以利於成型操作。採用熱壓工藝成型的粉體原料則不需加入粘結劑。若採用半自動或全自動乾壓成型，對粉體有特別的工藝要求，需要採用噴霧造粒法對粉體進行處理、使其呈現圓球狀，以利於提高粉體流動性便於成型中自動充填模壁。此外，為減少粉料與模壁的摩擦，還需添加1～2%的潤滑劑，如硬脂酸，及粘結劑PVA。
欲乾壓成型時需對粉體噴霧造粒，其中引入聚乙烯醇作為粘結劑。上海某研究所開發一種水溶性石蠟用作Al203噴霧造粒的粘結劑，在加熱情況下有很好的流動性。噴霧造粒後的粉體必須具備流動性好、密度鬆散，流動角摩擦溫度小於30℃。顆粒級配比理想等條件，以獲得較大素坯密度。
成型方法
氧化鋁陶瓷製品成型方法有乾壓、注漿、擠壓、冷等靜壓、注射、流延、熱壓與熱等靜壓成型等多種方法。近幾年來國內外又開發出壓濾成型、直接凝固注模成型、凝膠注成型、離心注漿成型與固體自由成型等成型技術方法。不同的產品形狀、尺寸、複雜造型與精度的產品需要不同的成型方法。
常用成型介紹：
1、乾壓成型：氧化鋁陶瓷乾壓成型技術僅限於形狀單純且內壁厚度超過1mm，長度與直徑之比不大於4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機有液壓式、機械式兩種，可呈半自動或全自動成型方式。壓機最大壓力為200Mpa。產量每分鐘可達15～50件。由於液壓式壓機衝程壓力均勻，故在粉料充填有差異時壓製件高度不同。而機械式壓機施加壓力大小因粉體充填多少而變化，易導致燒結後尺寸收縮產生差異，影響產品質量。因此乾壓過程中粉體顆粒均勻分布對模具充填非常重要。充填量準確與否對製造的氧化鋁陶瓷零件尺寸精度控制影響很大。粉體顆粒以大於60μm、介於60～200目之間可獲最大自由流動效果，取得最好壓力成型效果。
2、注漿成型法：注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由於採用石膏模、成本低且易於成型大尺寸、外形複雜的部件。注漿成型的關鍵是氧化鋁漿料的製備。通常以水為熔劑介質，再加入解膠劑與粘結劑，充分研磨之後排氣，然後倒注入石膏模內。由於石膏模毛細管對水分的吸附，漿料遂固化在模內。空心注漿時，在模壁吸附漿料達要求厚度時，還需將多餘漿料倒出。為減少坯體收縮量、應儘量使用高濃度漿料。
氧化鋁陶瓷漿料中還需加入有機添加劑以使料漿顆粒表面形成雙電層使料漿穩定懸浮不沉澱。此外還需加入乙烯醇、甲基纖維素、海藻酸胺等粘結劑及聚丙烯胺、阿拉伯樹膠等分散劑，目的均在於使漿料適宜注漿成型操作。
燒成技術
將顆粒狀陶瓷坯體緻密化並形成固體材料的技術方法叫燒結。燒結即將坯體內顆粒間空洞排除，將少量氣體及雜質有機物排除，使顆粒之間相互生長結合，形成新的物質的方法。
燒成使用的加熱裝置最廣泛使用電爐。除了常壓燒結即無壓燒結外，還有熱壓燒結及熱等靜壓燒結等。連續熱壓燒結雖然提高產量，但設備和模具費用太高，此外由於屬軸向受熱，製品長度受到限制。熱等靜壓燒成採用高溫高壓氣體作壓力傳遞介質，具有各向均勻受熱之優點，很適合形狀複雜製品的燒結。由於結構均勻，材料性能比冷壓燒結提高30～50%。比一般熱壓燒結提高10-15%。因此，一些高附加值氧化鋁陶瓷產品或國防軍工需用的特殊零部件、如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等製品、場採用熱等靜壓燒成方法。
精加工與封裝工序
有些氧化鋁陶瓷材料在完成燒結後，尚需進行精加工。如可用作人工骨的製品要求表面有很高的光潔度、如鏡面一樣，以增加潤滑性。由於氧化鋁陶瓷材料硬度較高，需用更硬的研磨拋光磚材料對其作精加工。如SIC、B4C或金剛鑽等。通常採用由粗到細磨料逐級磨削，最終表面拋光。一般可採用<1μm微米的Al2O3微粉或金剛鑽膏進行研磨拋光。此外雷射加工及超音波加工研磨及拋光的方法亦可採用。
氧化鋁陶瓷強化工藝
為了增強氧化鋁陶瓷，顯著提高其力學強度，國外新推一種氧化鋁陶瓷強化工藝。該工藝新穎簡單，所採取的技術手段是在氧化鋁陶瓷表面，採用電子射線真空鍍膜、濺射真空鍍膜或化學氣相蒸鍍方法，鍍上一層矽化合物薄膜，在1200℃～1580℃的加熱處理，使氧化鋁陶瓷鋼化。
經強化的氧化鋁陶瓷的力學強度可在原基礎上大幅度增長，獲得具有超高強度的氧化鋁陶瓷。
特點
1. 硬度大
經中科院上海矽酸鹽研究所測定，其洛氏硬度為HRA80-90，硬度僅次於金剛石，遠遠超過耐磨鋼和不鏽鋼的耐磨性能。
2. 耐磨性能極好
經中南大學粉末冶金研究所測定，其耐磨性相當於錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171.5倍。根據我們十幾年來的客戶跟蹤調查，在同等工況下，可至少延長設備使用壽命十倍以上。
3. 重量輕
其密度為3.5g/cm3，僅為鋼鐵的一半，可大大減輕設備負荷。
燒結設備
氧化鋁陶瓷燒結設備：
工作室尺寸：13720長/280x2寬/450高（含推板）
推板尺寸：240L/270W/40H/mm
材料：特級耐玉莫來石（DGM90）
額定功率：約210KW
恆溫功率：約130KW（受產品重量、溫度、推進速度影響，供參考）
高溫區額定工作溫度：1400℃
控溫點數：10點
儀表控溫精度：±2℃（穩態後）。
爐側壁表面溫升：≤55℃(裝飾板外表面中心位置)。
推進速度：500～1500mm/h（連續可調）
保溫時間：5h（由推進速度調節，推進速度：980mm/h）
主推進機推力：3T
工作電源：3相4線，380V
電窯最大實體尺寸：約16000L/1800W/1700H mm
技術指標
耐磨陶瓷主要技術指標：
氧化鋁陶瓷含量： ≥92%
密度： ≥3.6 g/cm3
洛氏硬度： ≥80 HRA
抗壓強度： ≥850 Mpa
斷裂韌性KΙC： ≥4.8MPa·m1/2
抗彎強度：≥290MPa
導熱係數：20W/m.K
熱膨脹係數： 7.2×10-6m/m.K
現狀及趨勢
一、現狀的分析
改革開放以來，我國建築陶瓷工業獲得了飛速的發展，隨著我國加入 WTO，建築陶瓷工業又面臨著一次空前的發展機遇，同時也面臨著前所未有的挑戰。 我國建築陶瓷企業主要分布在東南沿海一帶，如廣東的佛山、福建的晉江、浙江的溫州、河北的唐山、山東的淄博和濰坊等地。企業過分集中於少數地區，這種現狀雖然具有有利的一面，但我們也決不能忽略其不利的一面。第一，這種過於集中的特點會造成嚴重的局部重複建設和資源浪費，不利於我國建築陶瓷工業的全面、可持續發展；第二，容易造成企業間的惡性競爭，不利於我國建築陶瓷工業的健康發展；第三，容易造成產品的局部供大於求，而過剩部分的產品要外銷特別是銷往較遠的(如東北、西北等)地區，銷售成本無疑會增加；第四，容易造成主要原材料的缺乏，這些原料長期大量外購，也會增加生產成本。
二、發展趨勢
氧化鋁陶瓷作為先進陶瓷中套用最廣的一種材料，伴隨著整個行業的發展呈現以下發展趨勢：（1）技術裝備水平將快速提高： 計算機技術和數位化控制技術的發展促進了先進陶瓷材料工業的技術進步和快速發展，諸如自動控制連續燒結窯爐、大功率大容量研磨設備、高性能制粉造粒設備等淨壓成型設備等先進的成套設備有利地推動了行業整體水平的提高，同時在生產效率、產品質量等方面也都明顯改善；（2）產品質量水平不斷提高：國內微晶氧化鋁陶瓷製品從無到有，產業規模從小到大，產品質量從低到較高，經歷了一個快速發展的歷程；（3）產業規模將迅速擴大：微晶氧化鋁陶瓷製品作為其它行業或領域的基礎材料，受著其它行業發展水平的影響和限制。從氧化鋁陶瓷的套用情況看，套用範圍越來越寬，用量越來越大，特別是在防磨工程和建築陶瓷生產方面的用量增加將更為顯著。
