结构陶瓷材料03

1、 第三章 氧化铝陶瓷 第一节 氧化物陶瓷概述 一种或两种以上的氧化物 原子结合主要以离子键为主，存在部分共 价键。 高熔点，良好的电绝缘性能，优异的化学 稳定性和抗氧化性。 第二节 氧化铝陶瓷概述 一、氧化铝陶瓷组成 又称刚玉瓷，以aAl2O3为主晶相的陶瓷材料。 根据Al2O3含量：75瓷、85瓷、95瓷和99瓷。 主晶相：莫来石瓷、刚玉莫来石瓷和刚玉瓷 添加剂：铬刚玉、钛刚玉。 1912年 氧化铝陶瓷刀具 1931年德国Siemens Halske公司将氧化铝陶瓷应 用于火花塞材料，并获得“Sinter Korund”专利。 热震性能差 1970s Al2O3+TiO2复合陶瓷刀具 二、分

2、类： （1）高纯Al2O3陶瓷 99.9，Tm=20500C 烧结温度：16500C1950 0C 化学稳定性好， 代替Pt坩锅 导热性好，集成电路基板 绝缘性好， 高频绝缘材料 透光性、耐Na蒸气辅烛，钠灯管 （2）99瓷 99 ， 烧结温度：17000C 坩锅、耐火炉管、耐磨材料（水阀、密封件） 3）95瓷 95 ， 烧结温度：16500C 中等耐腐烛材料、耐磨材料 （4）85瓷 85， 烧结温度：14000C1600 0C 致密的细晶结构，电真空装置 （5）75瓷 75 电阻瓷、集成电路封装管 Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶 瓷配件瓷配件 Al2O3密封、气动密封、气动 陶瓷配件陶瓷

3、配件 95瓷纺织件瓷纺织件 99瓷纺织件瓷纺织件 氧化铝耐氧化铝耐 高温喷嘴高温喷嘴 氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚 第三节 氧化铝的结构 12种同质异晶体，1300度高温几乎完全转 化为Al2O3 主要有三种： Al2O3，Al2O3，Al2O3 一、Al2O3 水铝矿及氢氧化铝矿等氧化铝水化物的脱水过程 中生成的过渡氧化铝。 六方晶系，尖晶石结构。 晶格常数较大，密度低，结构松散，良好吸附力。 高温不稳定 1200度转化为Al2O3 多孔材料，吸附剂 二、Al2O3 三方晶系， 三、 Al2O3 多铝酸盐矿物，RO.6A

4、l2O3、R2O.11Al2O3 NaO-1层和Al11O12类型尖晶石单元交叠 堆积而成。 材料强度低、不能用于结构材料，介电损耗大， 不能用于机电材料。 Na完全包含在垂直于c轴的松散堆积平面内，在 这个平面内可快速扩散，呈现离子型导电离子型导电。如： 300度，钠离子扩散系数达110-5cm2/s导电率达 310-3s/m 钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，广泛的应用于 电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器。 粉体的制备粉体的制备 成型成型 烧结烧结 第四节 氧化铝陶瓷的制备工艺 一、原料的制备 1 工业原料的制备 A：拜耳法（18891892年发明） 铝土矿：铝土矿： 主要成分为主要成

5、分为Al2O3还有少量的还有少量的Fe2O3 等杂质等杂质 溶解溶解 铝土矿铝土矿 NaOH溶液溶液 过滤过滤 残渣残渣 二氧化碳二氧化碳 酸化酸化过滤过滤 滤液滤液 灼烧灼烧 NaAlO2 Al(OH)3 Al2O3 残渣：钠长石及残渣：钠长石及Fe和和Ti杂质杂质 11501200 溶解溶解 铝土矿铝土矿 NaOH溶液溶液 过滤过滤 残渣残渣 二氧化碳二氧化碳 酸化酸化过滤过滤 滤液滤液 灼烧灼烧 NaAlO2 Al(OH)3 Al2O3 11501200 B：贫矿石 酸化酸化 H2SO4 C：高纯度AL2O3 熔融熔融 铝土矿铝土矿 Al2O3 20002400 电弧炉电弧炉 人造刚玉、

6、电熔刚玉人造刚玉、电熔刚玉 2、原料的要求 化学组成精确 纯度高适当小的颗粒尺寸 颗粒分布范围窄 分散性好、无团聚 3、原料处理 （1）：预烧 使Al2O3转变成稳定的Al2O3，避免氧化铝陶瓷 在烧结过程中因晶型转变产生裂纹。 利用晶型转变产生热应力，Al2O3原料脆性提高， 易于原料进一步细化 可以排除原料中的Na2O，提高原料纯度 关键指标：预烧温度（13001400） 预烧温度过低，晶型不能完全转变 预烧温度过高，粉体发生烧结，不易粉碎且活性 降低。 添加剂：H3BO3、AlF3、NH4F等。 （2）原料粉碎 粉料微细化，表面原子数目增多，粉体具有较高 的化学表面能表面能，利于粉体参与

7、物理或化学发应 粉体在粉碎过程中，受到热作用或机械力的撞击、热作用或机械力的撞击、 碾压、剪切碾压、剪切，使原来完整晶格结构受到不同程度 的破坏，在颗粒内部出现裂纹、位错，表面原子 会出现不同程度的偏离，甚至会呈现无定形状态。 即增加了颗粒的缺陷能缺陷能，质点更容易脱离原有位 置的束缚，便于材料在烧结过程中的物质的传递 或转移。 总之，粉末微细化，能加速粉料在烧结过程中动 力学过程、降低烧结温度和缩短烧结时间、改善 和提高陶瓷的各项性能。 小于1m占1530，若大于40，烧结时会出现严 重晶粒长大。 5m的颗粒大于1015会明显妨碍烧结。 成型方式不同： 注浆成型小于2m的粉体应达到70%85

8、% 半干压成型小于2m的粉体应达到50%70% 球磨、振动磨、搅拌磨、气流磨 干磨和湿磨 球磨：外加13的助磨剂，如：油酸 吸附于Al2O3粉体表面，形成具有一定离子场 分布的新表面 A：分散效应： 减弱粉体间相互作用力，提高分散性，强化研 磨效果 B：润滑效应：粉料间相互作用力减弱，摩擦 力减小，流动性增加，利于粗颗粒暴露而永受 研磨作用，提高研磨效率 C：劈裂效应：粉料受撞击与碾压作用时，会 出现裂纹，当应力去除时，裂纹会弥合，而助 磨剂会填塞于裂纹处，使之不弥合 4、高纯Al2O3粉体制备方法 A：铵明矾热分解法 纯度99.9%以上，烧成品半透明，常制备高压 钠灯灯管。 B、碳酸铝铵热分

9、解法 C： 有机铝盐热分解法（solgel法） 烷基铝和铝醇盐加水分解而制得氢氧化铝， 在进行热分解 D：水热法、共沉淀法 二、 成型 干压法成型、注浆成型、挤压成型、冷等静 压成型、热等静压成型、热压成型、注射成 型、流延成型等等。 产品的性状、大小、复杂性与精度要求。 成型时的缺陷，很难在烧成过程中消除成型时的缺陷，很难在烧成过程中消除 注浆成型：注浆成型： 2629水10阿拉伯树胶水溶液（浓度 10）少量的苯AL2O3 干压法成型：干压法成型：成型压力60100MPa 78羧甲基纤维素（浓度2）或0.8糊 精2.4水AL2O3 挤压成型：挤压成型：糊精、工业糖浆、聚醋酸乙烯醇、 羧甲基纤

10、维素、聚乙烯醇 热压成型：热压成型： 0.30.7油酸1618石蜡AL2O3 三、 烧结 1、烧结：、烧结：陶瓷生坯在高温下致密化过程和 现象的总称，主要发生发生晶粒和气孔尺 寸及其性状的变化。 2、烧结体变化、烧结体变化 随温度上升和时间延长，固体颗粒相互键 连，晶粒长大，空隙和晶界减小，通过物 质传递，总体积收缩，密度增加，最后成 为坚硬的具有一定显维结构的多晶烧结体 坯体中晶粒配位性状的变化，如圆形晶粒 变成六角形密堆积，球形晶粒变成十四面 体密堆积 3、化学驱动力、化学驱动力 烧结过程，陶瓷致密化，依靠物质传递和迁 移来实现。必须存在每个化学位梯度推动 粉体具有很大表面积，储藏大量的表

11、面能 （几千J/mol) 粉体制备过程中，粉体出现各种晶格缺陷， 具有大量的缺陷能（几千J/mol) 但于活化能（几十万J/mol)相比过低，因此陶 瓷烧结需要高温高温来降低活化能势垒。 金属粉末0.30.4Tm，无机盐类0.57Tm，硅 酸盐0.80.9Tm 4、烧结过程中的物质传递、烧结过程中的物质传递 （1）、蒸发和凝聚）、蒸发和凝聚 颗粒曲率半径很小时， 蒸气压发生变化，凸面 上蒸气压增高而凹面上 蒸气压降低。因此，凸 面上物料蒸发后，通过 气相传递，在凹面上 （颈部）凝聚。 陶瓷材料的挥发性小， 蒸气压很低，一般在陶 瓷烧结过程中不常见。 （2）、扩散）、扩散 晶粒各部分存在缺陷浓度时，质点（或空 位）借助浓度梯度推倒而迁移的