氧化铝陶瓷的研究

1、结构陶瓷材料氧化物陶瓷的相关研究陶瓷材料是当今世界上发展最快的高技术材料，它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。我们的重点是氧化铝陶瓷的介绍，在此之前，我们有必要先了解一下结构陶瓷。 结构陶瓷作为结构部件的特种陶瓷，是由单一或复合的氧化物或非氧化物组成的，如单由Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4，或相互复合，或与碳纤维结合而成。结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。结构陶瓷具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特色，因此，在非常严苛的环境或工程应用条

2、件下，所展现的高稳定性与优异的机械性能，在材料工业上已倍受瞩目，其使用范围亦日渐扩大。 氧化物陶瓷材料是一种或两种以上的氧化物制成的材料，其原子结合主要以离子键为主，存在部分共价键，因此大部分氧化物具有高熔点、高绝缘性、优良的化学稳定性，在工程领域得到广泛的应用。从表【1】和表【2】可以看出来。 表1 常用氧化物陶瓷陶瓷的主要物理和力学性能 表2 氧化物陶瓷材料的热性能氧化物陶瓷品种繁多，主要分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷，通常具有较高的熔融温度，在氧化气氛中非常稳定。较高的机械强度、电绝缘性能和化学稳定性。除氧化铍陶瓷外，其导热性较低。其用途极为广泛，可作为结构材料，功能

3、材料和高级耐火材料。现在，我们主要谈论氧化物陶瓷在结构材料方面的特性。1、 氧化铝陶瓷1.1氧化铝的晶体结构氧化铝中氧的堆积方式有两种：六方最密堆积的ABAB.型和立方最密堆积的ABCABC.型，铝的配位方式也有两种：八位体配位和四面体配位。由于以上的组合，产生了氧化铝结构的多样性。但是氧化铝的晶体结构主要的只有三种，即-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3，后两种晶体在1300的高温下几乎完全转变为-Al2O3。-Al2O3和-Al2O3的部分物理性能如下图：1.2氧化铝陶瓷的制作工艺1.2.1粉体的制备（1）制备的陶瓷所需要的氧化铝粉体的质量要求常用的方法是拜耳法，这种方法是将含铝量高的

4、天然矿物，如铝矾土用酸或者用碱处理生产氧化铝的方法。一般很少用酸法，一般用碱法处理。碱法处理是近代炼铝工业中生产氧化铝的主要方法。过程：将铝矾土原矿石粉碎，然后加入13-20的NaOH，在200-250、4MPa的条件下处理，使之成为氯酸钠溶液将氧化铁、二氧化硅以及氧化钛等不溶解物形成的沉淀过滤分离，然后将氯酸钠放入大型后搅拌池中用水稀释后添加少量氧化铝细颗粒（作为晶钟），Al(OH)3以三水铝石的形式从铝酸钠溶液中析出经过滤、洗净后在旋转式管状炉或者沸腾床式炉中于1200-1300下烧结，再经粉碎、过筛而制成-Al2O3。下图是拜耳法制作氧化铝的工艺流程：（2）粉体的添加剂1.2.2成型氧化

5、铝陶瓷的成型方法有许多种，依产品的形状、大小、复杂性与精度要求选用合适的成型方式。主要有干压法成型、注浆成型、挤压成型、冷等静雅成型、注射成型、流延成型、热压成型和热等静压成型、压滤成型、凝胶注成型、直接凝固注模成型、固体自由成型等。成型过程所造成的缺陷往往是陶瓷材料的主要缺陷，很难在烧成过程加以消除，所以成型工艺在整个氧化铝陶瓷乃至所有陶瓷制造工艺中起着重要作用，是制备高性能氧化铝陶瓷的关键。1.2.3烧结工艺氧化铝是有氧化铝微晶组成的多孔聚集体，很难烧结。为了破坏这种聚集的多孔性，必须将原料磨得很细。轻度预烧，可提高氧化铝聚集体的脆性，有利于细磨。而预烧结温度过高，晶体发育较大，硬度也增大

6、，难以磨细。烧结制度对氧化铝陶瓷制品的密度和显微结构起着决定性的作用。刚玉瓷采用热压烧结，1600左右就能得到致密的瓷体，而采用一般常压烧结工艺，1800才能烧结致密。为了达到晶粒细小而烧结致密的瓷体，同时可降低烧结温度，降低能耗，需在原料配方中添加促进烧结的添加剂。这些烧结助剂大致可分为两类：一是加入物与氧化铝在高温时形成固溶体，活化晶格促进烧结；二是添加剂在高温时能与氧化铝形成少量液相，烧结是在少量液相的参与下完成的。2、 氧化锆陶瓷氧化锆传统应用主要是作为耐火材料、涂层和釉料等的原料，在20世纪70年代出现了氧化锆增韧陶瓷材料，使氧化锆陶瓷材料的力学性能获得了大幅度提高，其室温韧性在陶瓷

7、材料中为最高，作为热机、耐磨机械部件受到了广泛关注。氧化锆有三种晶相：立方相，四方相，单斜相。 氧化锆的基本物理性能氧化锆陶瓷的韧性是目前所有陶瓷中最高的，也具有较好的耐磨和耐腐蚀性，再加上氧化锆的低热导率和铸铁相匹配的膨胀系数，可用于绝热柴油机中做活塞顶、缸盖、内衬等，从而提高燃烧效率，也可用做拉丝模、轴承和密封材料等。2.1氧化锆的制备方法作为原料，二氧化锆都是由锆砂和斜锆石制得，锆砂以硅酸锆为主要成分，斜锆石矿的主要成分为ZrO2,含有少量SiO2、TiO2等杂质。传统方法有：电熔法在锆砂中加碳，置于电弧炉中加热，制成碳-锆化物，再进行氧化的方法。此法可大量生产二氧化锆，成本低，但是纯度

8、也较低。湿式法将锆砂与碳酸钠熔融，再将生成的锆硅酸钠在酸中溶解以除去不溶的二氧化锆，然后将含有锆的滤液用碱中和，使之形成氢氧化锆沉淀，沉淀物经过脱水、干燥、烧成而成为二氧化锆。此种方法生产的二氧化锆纯度高，可用于电子材料、光学玻璃和敏感元件等，但是粉末的烧结性较差，用于工程陶瓷尚不理想。2.2高强度、高韧性二氧化锆制品高强度、高韧性陶瓷应是微细结晶的致密体，采用结构陶瓷常用的烧结制备方法来生产，同时还必须达到部分稳定化。（1） ZrO2-CaO系统当采用活性氧化锆粉末并延长热处理时间时，ZrO2-CaO系统的共析温度为1140±40，CaO的摩尔分数为17.0±0.5.通过

9、快速冷却可使立方结构保持下来，这是获得立方结构CaO稳定ZrO2的基础。下图是ZrO2-CaO相图的部分区间：（2） ZrO2-MgO系统在立方固溶体快速冷却过程中，应尽量使四方相以均匀成核的形态保持下来，当这种析出物的颗粒尺寸超过一临界值时，会自发或者在外力作用下转变为单斜相。通过工艺和组分以及显微结构的调整可以获得MgO部分稳定的ZrO2，其断裂韧性可超过15MPa·m½,比一般全稳定立方ZrO2要高出5倍多。 ZrO2-MgO富氧化锆端的相图（3） ZrO2-Y2O3系统四方多晶氧化锆陶瓷，又称增韧氧化锆陶瓷，主要以三价金属阳离子，如稀土类氧化物作为部分稳定剂来制备四

10、方相氧化锆多晶体。下图是ZrO2-Y2O3相图，Y2O3在极限四方相固溶体中很大的溶解度，直到2.5molY2O3溶解到与低共析温度线相交的固溶体中，可获得全部为四方相的陶瓷。 ZrO2-Y2O3的相图（4） ZrO2-CeO2系统该系统也有一范围很宽的四方相区，其溶液极限为18mol,其共析温度为1050±50.烧结温度通常为1550，其断裂韧性更高。 ZrO2-CeO2的相图3、 氧化镁陶瓷MgO陶瓷的主晶相为MgO，属于立方晶系氯化钠型结构，熔点2800，密度3.58g/cm³,0-100的平均线膨胀系数为10.5×10，高温下比体积电阻高，介质损耗低，具有

11、良好的电绝缘性，属于弱碱性物质。MgO对碱性金属熔渣具有较强的抗腐蚀能力，与镁、镍等不起作用，可用于制备熔炼金属的坩埚、浇注金属的铸模、高温热电偶的保护管等。当温度高于2300时易挥发，在高温下易被还原成金属镁，在空气中，特别是在潮湿空气中极易水化，形成氢氧化镁。（1） 氧化镁陶瓷的制备工业用氧化镁原料主要从含镁的矿物菱镁矿、白云水镁石、硫镁钒或者海水中提取。将含镁的矿物荣辱酸和水中，添加沉淀剂沉淀，可得到氧化镁和镁的水化物、碳酸盐或其他盐类。最后采用煅烧、电熔或化学沉淀等方法制取氧化镁氧化镁晶格中离子堆积紧密，离子排列对称性高，晶格缺陷少，难以烧结，需加入添加剂，ZrO2等都可以与氧化镁形成

12、置换型或者填隙型固溶体，CaF2等可以和氧化镁形成低共熔点液相促进烧结。氧化镁陶瓷大多采用注浆法生产。首先，将氧化镁原料用足够量的蒸馏水混合形成糊状，充分水化形成氢氧化镁，存放一段时间后，在100下烘干，在1450-1600密封条件下进行煅烧，保温8h，使氢氧化镁重新分解为氧化镁，然后球磨一定时间，再加入冷却水继续球磨70-90min,形成悬浮浆料，用于注浆成型。为了改善料浆性能，可以通过调节pH值为7-8，脱模后胚料在70干燥，在1250进行预烧，再装入刚玉匣钵于1750-1800保温2h烧成。4、 应用与发展趋势 在陶瓷材料中，氧化铝陶瓷是使用最为广泛的材料之一。氧化铝陶瓷具有机械强度高,

13、绝缘电阻大,硬度高,耐磨、耐腐蚀及耐高温等系列优良性能,其广泛应用于陶瓷、纺织、石油、化工、建筑及电子各个行业,是目前氧化物陶瓷中用途最广、产销量最大的陶瓷新材。随着科学技术的发展及制造技术的提高,氧化铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得到越来越广泛的应用：（1)机械方面。有耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、衬片,氧化铝陶瓷钉,陶瓷密封件(氧化铝陶瓷球阀),黑色氧化铝陶瓷切削刀具,红色氧化铝陶瓷柱塞等。（2)电子、电力方面。有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件,电子材料,磁性材料等。（3)化工方面。有氧化铝陶瓷化工填料球,氧化铝陶瓷微滤膜,氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。（4)医学方面。有氧化铝陶瓷人工骨,羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节等。（5)建筑卫生陶瓷方面。球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石的应用已十分普及,氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料的应用随处可见。 氧化铝陶瓷作为先进陶瓷中应用最广的一种材料，伴随着整个行业的发展呈现以下发展趋势：）技术装备水平将快速提高：计算机技术和数字化控制技术的发展促进了先进陶瓷材料工业的技术进步和快速发展，诸如自动控制连续烧结窑炉、大功率大容量研磨设备、高性能制粉造粒设备等净压成型设备等先进的成套设备有利