氧化鋁陶瓷的研究

1、結(jié)構(gòu)陶瓷材料氧化物陶瓷的相關(guān)研究陶瓷材料是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的高技術(shù)材料，它已經(jīng)由單相陶瓷發(fā)展到多相復(fù)合陶瓷。我們的重點(diǎn)是氧化鋁陶瓷的介紹，在此之前，我們有必要先了解一下結(jié)構(gòu)陶瓷。 結(jié)構(gòu)陶瓷作為結(jié)構(gòu)部件的特種陶瓷，是由單一或復(fù)合的氧化物或非氧化物組成的，如單由Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4，或相互復(fù)合，或與碳纖維結(jié)合而成。結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指發(fā)揮其機(jī)械、熱、化學(xué)等性能的一大類新型陶瓷材料，它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役，因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)陶瓷具有優(yōu)越的強(qiáng)度、硬度、絕緣性、熱傳導(dǎo)、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、耐磨耗、高溫強(qiáng)度等特色，因此，在非常嚴(yán)苛的環(huán)境或工程應(yīng)用條

2、件下，所展現(xiàn)的高穩(wěn)定性與優(yōu)異的機(jī)械性能，在材料工業(yè)上已倍受矚目，其使用范圍亦日漸擴(kuò)大。 氧化物陶瓷材料是一種或兩種以上的氧化物制成的材料，其原子結(jié)合主要以離子鍵為主，存在部分共價(jià)鍵，因此大部分氧化物具有高熔點(diǎn)、高絕緣性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。從表【1】和表【2】可以看出來。 表1 常用氧化物陶瓷陶瓷的主要物理和力學(xué)性能 表2 氧化物陶瓷材料的熱性能氧化物陶瓷品種繁多，主要分為氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷、氧化鈹陶瓷，通常具有較高的熔融溫度，在氧化氣氛中非常穩(wěn)定。較高的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性。除氧化鈹陶瓷外，其導(dǎo)熱性較低。其用途極為廣泛，可作為結(jié)構(gòu)材料，功能

3、材料和高級耐火材料?，F(xiàn)在，我們主要談?wù)撗趸锾沾稍诮Y(jié)構(gòu)材料方面的特性。1、 氧化鋁陶瓷1.1氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)氧化鋁中氧的堆積方式有兩種：六方最密堆積的ABAB.型和立方最密堆積的ABCABC.型，鋁的配位方式也有兩種：八位體配位和四面體配位。由于以上的組合，產(chǎn)生了氧化鋁結(jié)構(gòu)的多樣性。但是氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)主要的只有三種，即-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3，后兩種晶體在1300的高溫下幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)?Al2O3。-Al2O3和-Al2O3的部分物理性能如下圖：1.2氧化鋁陶瓷的制作工藝1.2.1粉體的制備（1）制備的陶瓷所需要的氧化鋁粉體的質(zhì)量要求常用的方法是拜耳法，這種方法是將含鋁量高的

4、天然礦物，如鋁礬土用酸或者用堿處理生產(chǎn)氧化鋁的方法。一般很少用酸法，一般用堿法處理。堿法處理是近代煉鋁工業(yè)中生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。過程：將鋁礬土原礦石粉碎，然后加入13-20的NaOH，在200-250、4MPa的條件下處理，使之成為氯酸鈉溶液將氧化鐵、二氧化硅以及氧化鈦等不溶解物形成的沉淀過濾分離，然后將氯酸鈉放入大型后攪拌池中用水稀釋后添加少量氧化鋁細(xì)顆粒（作為晶鐘），Al(OH)3以三水鋁石的形式從鋁酸鈉溶液中析出經(jīng)過濾、洗凈后在旋轉(zhuǎn)式管狀爐或者沸騰床式爐中于1200-1300下燒結(jié)，再經(jīng)粉碎、過篩而制成-Al2O3。下圖是拜耳法制作氧化鋁的工藝流程：（2）粉體的添加劑1.2.2成型氧化

5、鋁陶瓷的成型方法有許多種，依產(chǎn)品的形狀、大小、復(fù)雜性與精度要求選用合適的成型方式。主要有干壓法成型、注漿成型、擠壓成型、冷等靜雅成型、注射成型、流延成型、熱壓成型和熱等靜壓成型、壓濾成型、凝膠注成型、直接凝固注模成型、固體自由成型等。成型過程所造成的缺陷往往是陶瓷材料的主要缺陷，很難在燒成過程加以消除，所以成型工藝在整個(gè)氧化鋁陶瓷乃至所有陶瓷制造工藝中起著重要作用，是制備高性能氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵。1.2.3燒結(jié)工藝氧化鋁是有氧化鋁微晶組成的多孔聚集體，很難燒結(jié)。為了破壞這種聚集的多孔性，必須將原料磨得很細(xì)。輕度預(yù)燒，可提高氧化鋁聚集體的脆性，有利于細(xì)磨。而預(yù)燒結(jié)溫度過高，晶體發(fā)育較大，硬度也增大

6、，難以磨細(xì)。燒結(jié)制度對氧化鋁陶瓷制品的密度和顯微結(jié)構(gòu)起著決定性的作用。剛玉瓷采用熱壓燒結(jié)，1600左右就能得到致密的瓷體，而采用一般常壓燒結(jié)工藝，1800才能燒結(jié)致密。為了達(dá)到晶粒細(xì)小而燒結(jié)致密的瓷體，同時(shí)可降低燒結(jié)溫度，降低能耗，需在原料配方中添加促進(jìn)燒結(jié)的添加劑。這些燒結(jié)助劑大致可分為兩類：一是加入物與氧化鋁在高溫時(shí)形成固溶體，活化晶格促進(jìn)燒結(jié)；二是添加劑在高溫時(shí)能與氧化鋁形成少量液相，燒結(jié)是在少量液相的參與下完成的。2、 氧化鋯陶瓷氧化鋯傳統(tǒng)應(yīng)用主要是作為耐火材料、涂層和釉料等的原料，在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了氧化鋯增韌陶瓷材料，使氧化鋯陶瓷材料的力學(xué)性能獲得了大幅度提高，其室溫韌性在陶瓷

7、材料中為最高，作為熱機(jī)、耐磨機(jī)械部件受到了廣泛關(guān)注。氧化鋯有三種晶相：立方相，四方相，單斜相。 氧化鋯的基本物理性能氧化鋯陶瓷的韌性是目前所有陶瓷中最高的，也具有較好的耐磨和耐腐蝕性，再加上氧化鋯的低熱導(dǎo)率和鑄鐵相匹配的膨脹系數(shù)，可用于絕熱柴油機(jī)中做活塞頂、缸蓋、內(nèi)襯等，從而提高燃燒效率，也可用做拉絲模、軸承和密封材料等。2.1氧化鋯的制備方法作為原料，二氧化鋯都是由鋯砂和斜鋯石制得，鋯砂以硅酸鋯為主要成分，斜鋯石礦的主要成分為ZrO2,含有少量SiO2、TiO2等雜質(zhì)。傳統(tǒng)方法有：電熔法在鋯砂中加碳，置于電弧爐中加熱，制成碳-鋯化物，再進(jìn)行氧化的方法。此法可大量生產(chǎn)二氧化鋯，成本低，但是純度

8、也較低。濕式法將鋯砂與碳酸鈉熔融，再將生成的鋯硅酸鈉在酸中溶解以除去不溶的二氧化鋯，然后將含有鋯的濾液用堿中和，使之形成氫氧化鋯沉淀，沉淀物經(jīng)過脫水、干燥、燒成而成為二氧化鋯。此種方法生產(chǎn)的二氧化鋯純度高，可用于電子材料、光學(xué)玻璃和敏感元件等，但是粉末的燒結(jié)性較差，用于工程陶瓷尚不理想。2.2高強(qiáng)度、高韌性二氧化鋯制品高強(qiáng)度、高韌性陶瓷應(yīng)是微細(xì)結(jié)晶的致密體，采用結(jié)構(gòu)陶瓷常用的燒結(jié)制備方法來生產(chǎn)，同時(shí)還必須達(dá)到部分穩(wěn)定化。（1） ZrO2-CaO系統(tǒng)當(dāng)采用活性氧化鋯粉末并延長熱處理時(shí)間時(shí)，ZrO2-CaO系統(tǒng)的共析溫度為1140±40，CaO的摩爾分?jǐn)?shù)為17.0±0.5.通過

9、快速冷卻可使立方結(jié)構(gòu)保持下來，這是獲得立方結(jié)構(gòu)CaO穩(wěn)定ZrO2的基礎(chǔ)。下圖是ZrO2-CaO相圖的部分區(qū)間：（2） ZrO2-MgO系統(tǒng)在立方固溶體快速冷卻過程中，應(yīng)盡量使四方相以均勻成核的形態(tài)保持下來，當(dāng)這種析出物的顆粒尺寸超過一臨界值時(shí)，會(huì)自發(fā)或者在外力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?。通過工藝和組分以及顯微結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以獲得MgO部分穩(wěn)定的ZrO2，其斷裂韌性可超過15MPa·m½,比一般全穩(wěn)定立方ZrO2要高出5倍多。 ZrO2-MgO富氧化鋯端的相圖（3） ZrO2-Y2O3系統(tǒng)四方多晶氧化鋯陶瓷，又稱增韌氧化鋯陶瓷，主要以三價(jià)金屬陽離子，如稀土類氧化物作為部分穩(wěn)定劑來制備四

10、方相氧化鋯多晶體。下圖是ZrO2-Y2O3相圖，Y2O3在極限四方相固溶體中很大的溶解度，直到2.5molY2O3溶解到與低共析溫度線相交的固溶體中，可獲得全部為四方相的陶瓷。 ZrO2-Y2O3的相圖（4） ZrO2-CeO2系統(tǒng)該系統(tǒng)也有一范圍很寬的四方相區(qū)，其溶液極限為18mol,其共析溫度為1050±50.燒結(jié)溫度通常為1550，其斷裂韌性更高。 ZrO2-CeO2的相圖3、 氧化鎂陶瓷MgO陶瓷的主晶相為MgO，屬于立方晶系氯化鈉型結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)2800，密度3.58g/cm³,0-100的平均線膨脹系數(shù)為10.5×10，高溫下比體積電阻高，介質(zhì)損耗低，具有

11、良好的電絕緣性，屬于弱堿性物質(zhì)。MgO對堿性金屬熔渣具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，與鎂、鎳等不起作用，可用于制備熔煉金屬的坩堝、澆注金屬的鑄模、高溫?zé)犭娕嫉谋Ｗo(hù)管等。當(dāng)溫度高于2300時(shí)易揮發(fā)，在高溫下易被還原成金屬鎂，在空氣中，特別是在潮濕空氣中極易水化，形成氫氧化鎂。（1） 氧化鎂陶瓷的制備工業(yè)用氧化鎂原料主要從含鎂的礦物菱鎂礦、白云水鎂石、硫鎂釩或者海水中提取。將含鎂的礦物榮辱酸和水中，添加沉淀劑沉淀，可得到氧化鎂和鎂的水化物、碳酸鹽或其他鹽類。最后采用煅燒、電熔或化學(xué)沉淀等方法制取氧化鎂氧化鎂晶格中離子堆積緊密，離子排列對稱性高，晶格缺陷少，難以燒結(jié)，需加入添加劑，ZrO2等都可以與氧化鎂形成

12、置換型或者填隙型固溶體，CaF2等可以和氧化鎂形成低共熔點(diǎn)液相促進(jìn)燒結(jié)。氧化鎂陶瓷大多采用注漿法生產(chǎn)。首先，將氧化鎂原料用足夠量的蒸餾水混合形成糊狀，充分水化形成氫氧化鎂，存放一段時(shí)間后，在100下烘干，在1450-1600密封條件下進(jìn)行煅燒，保溫8h，使氫氧化鎂重新分解為氧化鎂，然后球磨一定時(shí)間，再加入冷卻水繼續(xù)球磨70-90min,形成懸浮漿料，用于注漿成型。為了改善料漿性能，可以通過調(diào)節(jié)pH值為7-8，脫模后胚料在70干燥，在1250進(jìn)行預(yù)燒，再裝入剛玉匣缽于1750-1800保溫2h燒成。4、 應(yīng)用與發(fā)展趨勢 在陶瓷材料中，氧化鋁陶瓷是使用最為廣泛的材料之一。氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高,

13、絕緣電阻大,硬度高,耐磨、耐腐蝕及耐高溫等系列優(yōu)良性能,其廣泛應(yīng)用于陶瓷、紡織、石油、化工、建筑及電子各個(gè)行業(yè),是目前氧化物陶瓷中用途最廣、產(chǎn)銷量最大的陶瓷新材。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高,氧化鋁陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用：（1)機(jī)械方面。有耐磨氧化鋁陶瓷襯磚、襯板、襯片,氧化鋁陶瓷釘,陶瓷密封件(氧化鋁陶瓷球閥),黑色氧化鋁陶瓷切削刀具,紅色氧化鋁陶瓷柱塞等。（2)電子、電力方面。有各種氧化鋁陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高壓鈉燈透明氧化鋁陶瓷以及各種氧化鋁陶瓷電絕緣瓷件,電子材料,磁性材料等。（3)化工方面。有氧化鋁陶瓷化工填料球,氧化鋁陶瓷微濾膜,氧化鋁陶瓷耐腐蝕涂層等。（4)醫(yī)學(xué)方面。有氧化鋁陶瓷人工骨,羥基磷灰石涂層多晶氧化鋁陶瓷人工牙齒、人工關(guān)節(jié)等。（5)建筑衛(wèi)生陶瓷方面。球磨機(jī)用氧化鋁陶瓷襯磚、微晶耐磨氧化鋁球石的應(yīng)用已十分普及,氧化鋁陶瓷輥棒、氧化鋁陶瓷保護(hù)管及各種氧化鋁質(zhì)、氧化鋁結(jié)合其他材質(zhì)耐火材料的應(yīng)用隨處可見。 氧化鋁陶瓷作為先進(jìn)陶瓷中應(yīng)用最廣的一種材料，伴隨著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：）技術(shù)裝備水平將快速提高：計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了先進(jìn)陶瓷材料工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和快速發(fā)展，諸如自動(dòng)控制連續(xù)燒結(jié)窯爐、大功率大容量研磨設(shè)備、高性能制粉造粒設(shè)備等凈壓成型設(shè)備等先進(jìn)的成套設(shè)備有利