1931年，德國(guó)SiemensHalske公司較早將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于火花塞材料，并獲得了專利。隨著電子工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，日本于1942年將氧化鋁陶瓷用在了軍需用的航空飛機(jī)的火花塞上。后來，氧化鋁陶瓷逐步被應(yīng)用于真空電子器件，用來制備高壓鈉燈管、集成電路基板等高科技產(chǎn)品。氧化鋁陶瓷是一種以α-Al2O3主晶相的陶瓷材料，其α-Al2O3含量一般為75%～99.9%。根據(jù)其中氧化鋁含量的不同分為99瓷、95瓷、85瓷和75瓷等。含量在99%左右的為99瓷，含量在95%左右的為95瓷，以此類推。由于它熔點(diǎn)高、硬度大、絕緣電阻大、化學(xué)穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于耐磨材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、電絕緣材料和耐化學(xué)腐蝕材料等。因此，新型的制作工藝越來越受到科技工作者的重視。
1氧化鋁陶瓷制備工藝
1.1氧化鋁陶瓷的成型工藝
氧化鋁陶瓷成型的方法有很多種，常見的成型方法主要有干壓成型、擠壓成型、注射成型、流延成型與熱等靜壓成型等，近些年來也開發(fā)出不少新的成型工藝，如壓濾成型、固體自由成型、凝膠注成型等。
1.1.1干壓成型
干壓成型是一種比較成熟的工藝，這種成型方法是利用外力作用，增大內(nèi)摩擦力，使顆粒之間由于內(nèi)摩擦力的作用而產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，維持一定形狀的一種成型方法。干壓成型的優(yōu)點(diǎn)是工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，操作起來比其他方法更加容易。
1.1.2凝膠注模成型
20世紀(jì)末，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了基于注射成型的新型成型工藝，即注模成型。這種成型方法的成型周期比其他方法短，在脫模時(shí)，不易發(fā)生變形開裂，有機(jī)載體添加的量比以前降低，僅僅占到坯體總質(zhì)量的2/100～4/100，而且這種成型方法對(duì)脫脂十分有利。RuipingLiu等人通過對(duì)氧化鋁陶瓷的凝膠注模成型觀察得出結(jié)論，即利用凝膠注模法制作的多孔陶瓷，不僅具有較高的孔隙率，而且強(qiáng)度很高。謝志鵬等人研究了添加劑對(duì)氧化鋁凝膠流延成型所產(chǎn)生的影響。J.M.Tulliani通過這一方法，制備出孔隙率達(dá)到75%的多孔氧化鋁陶瓷。
1.1.3氧化鋁微注射成型工藝
粉末微注射成型技術(shù)對(duì)所用的粉末顆粒有著一定要求，其平均直徑一般小于1滋m。生產(chǎn)出來的陶瓷部件性能優(yōu)良。例如，具有較好耐腐蝕性、高強(qiáng)度的陶瓷部件。目前，含氧化鋁的微型陶瓷部件也得到了應(yīng)用；MengJunhu等人用低壓微注射成型技術(shù)生產(chǎn)一種氧化鋁陶瓷材料通道，生產(chǎn)的通道有致密度高的特點(diǎn)；Loebbecke等人研究黏結(jié)劑和粒子直徑對(duì)流變特性所產(chǎn)生的影響；RuhAndreas用微注射成型法制得氧化鋁陶瓷齒輪；Thomas利用這一成型方法，制備出氧化鋁陶瓷牙托。
1.1.4注凝成型
注凝成型工藝首先要選用高濃度低黏度的漿料進(jìn)行注模，然后通過加入的引發(fā)劑和催化劑，調(diào)節(jié)溫度使有機(jī)單體聚合，以三維網(wǎng)狀的形式形成擁有一定強(qiáng)度的生坯，再經(jīng)脫模、干燥、排膠處理后燒結(jié)，獲得產(chǎn)品。注凝成型的優(yōu)點(diǎn)是工藝較簡(jiǎn)單，成型的素坯均勻性好，強(qiáng)度高且容易加工。而且，這種成型方法對(duì)模具沒有太多的要求，成型過程中坯體的收縮較小，適合于制作尺寸較大、形狀復(fù)雜的陶瓷件。
1.1.5流延成型
流延法也叫刮刀成型法，在技術(shù)上比較新穎，適用于薄片陶瓷材料的制作，利用這個(gè)方法成型一般要在陶瓷粉料中添加其他成分，如黏結(jié)劑、分散劑、增塑劑等，制作成漿料十分均勻，從而使較后得到的陶瓷片厚度符合制作的要求。流延成型一般分為2種，一種是非水基成型。例如，丁國(guó)強(qiáng)等人采用了非水基流延成型工藝生產(chǎn)出了氧化鋁陶瓷基片，而且對(duì)非水基流延工藝的參數(shù)對(duì)基片性能的影響進(jìn)行了探討。另一種是水基流延成型。付長(zhǎng)翼等人采用這種工藝，制備了性能優(yōu)良的氧化鋁陶瓷基片。
1.2氧化鋁陶瓷的燒結(jié)工藝
氧化鋁陶瓷在燒結(jié)的過程中需要的溫度非常高，所以對(duì)窯爐和窯具的制作材料有很嚴(yán)格的要求。高溫發(fā)熱體耐火材料的選擇成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。因此，如何把氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度降低，減少其燒結(jié)所使用的時(shí)間，還有減少窯爐和窯具在燒結(jié)過程中的損耗等，降低生產(chǎn)成本，是始終值得關(guān)注的課題。
1.2.1熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)即在燒結(jié)的同時(shí)施加一定的壓力，而在壓力的條件下會(huì)使得原子的擴(kuò)散速率增大，從而提高了燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，使得燒結(jié)過程所需的時(shí)間大大減短。JoRoy等人運(yùn)用熱壓燒結(jié)技術(shù)，在10MPa的壓力、1600℃的環(huán)境下，進(jìn)行了10min的燒結(jié)，制備出陶瓷材料，它的相對(duì)密度高達(dá)99%，晶粒尺寸隨著燒結(jié)溫度的提高而增大。從中可以看出，燒結(jié)溫度對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響較大，而燒結(jié)時(shí)間與燒結(jié)壓力的影響相對(duì)來說就比較小一些。
1.2.2很高壓燒結(jié)
很高壓燒結(jié)是指在較大的壓力條件下進(jìn)行燒結(jié)，用這種方法燒結(jié)不需要用很高的溫度就能夠成功制得高致密、高純度的氧化鋁陶瓷。Liao等人在素坯經(jīng)800℃的燒結(jié)之后，制備的高純氧化鋁陶瓷相對(duì)密度達(dá)到98.2%，晶粒的平均尺寸只有49nm。這是目前報(bào)道中，氧化鋁陶瓷密度一樣大小的前提條件下，燒結(jié)溫度的較低點(diǎn)。很高壓作用下能有效地降低燒結(jié)溫度，減少能耗，提高氧化鋁陶瓷致密度。
1.2.3高真空燒結(jié)
高真空燒結(jié)是指在高度真空的狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)的一種燒結(jié)技術(shù)。王利等人以高純氧化鋁為原材料，所用高純氧化鋁的純度大于99.99%，采用等靜壓成型技術(shù)，接著在1500℃的溫度的真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，制備的高純氧化鋁陶瓷性能優(yōu)異，不僅具有很高的抗彎強(qiáng)度，而且晶粒尺寸在2～3μm。Gustavo等人采用了高真空燒結(jié)技術(shù)制得氧化鋁陶瓷，相對(duì)密度大，彎曲強(qiáng)度高。研究得出：運(yùn)用高真空燒結(jié)方法制作高純氧化鋁陶瓷，不僅可以使晶界處雜質(zhì)減少，而且出現(xiàn)氣孔的概率也會(huì)降低。
1.2.4熱等靜壓燒結(jié)
熱等靜壓燒結(jié)實(shí)質(zhì)上就是一種另類的熱壓燒結(jié)工藝。它是在高溫的環(huán)境下，把所要燒結(jié)的坯體放置在氣體介質(zhì)之中，這樣坯體會(huì)受到來自四面八方的壓力的作用，所制作的陶瓷材料在致密度方面可以得到進(jìn)一步的提高；熱等靜壓在燒結(jié)過程消耗的時(shí)間較少，而且在燒結(jié)時(shí)所需要的溫度相對(duì)來說也比較低；在微觀結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)得十分均勻，性能十分優(yōu)異。
1.2.5微波燒結(jié)
微波燒結(jié)利用微波在電磁場(chǎng)中的損耗對(duì)材料進(jìn)行加熱，直接把材料加熱到燒結(jié)溫度，速度快，瓷體致密。微波燒結(jié)法的氣熱流方向是自里而流向外的，異于其他的燒結(jié)方法，對(duì)坯體內(nèi)的氣體向外逸出這個(gè)過程十分有利；與此同時(shí)，粒子在微波的作用下，活性有所提高，其遷移容易進(jìn)行，在燒結(jié)過程中，避免了陶瓷晶粒異常長(zhǎng)大，制備出來的陶瓷性能令人滿意。
微波燒結(jié)技術(shù)可以有效地解決尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的元件在非均勻加熱時(shí)裂開的現(xiàn)象。它具有升溫速度快、熱效率高、安全、沒有污染等特點(diǎn)，因此高純氧化鋁大多選用微波燒結(jié)法。
1.2.6放電等離子燒結(jié)
放電等離子燒結(jié)是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫場(chǎng)使材料加熱至燒結(jié)溫度從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的過程。它是通過一剎那間產(chǎn)生的放電等離子的作用之下，讓所要燒結(jié)的材料里面各個(gè)顆粒都能夠產(chǎn)生發(fā)熱的效果，并且這些顆粒的發(fā)熱十分均勻，可以在較短的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到致密的效果。王操等人采用放電等離子燒結(jié)工藝，采用兩部加壓的方式制備出在波長(zhǎng)為64nm時(shí)，直線透過率為51%的樣品；采用放電等離子燒結(jié)方法獲得的樣品，不僅晶粒細(xì)小，而且十分均勻，致密度高，所以放電等離子燒結(jié)的前景被很多人看好。
2應(yīng)用與展望
氧化鋁陶瓷廣泛應(yīng)用于水龍頭閥芯、金屬陶瓷刀具、化工填料球、陶瓷膜、耐腐蝕涂層等，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)方面，氧化鋁陶瓷在人造骨頭、關(guān)節(jié)和牙齒上應(yīng)用得比較多。體外實(shí)驗(yàn)表明：氧化鋁陶瓷對(duì)體外纖維細(xì)胞無毒性，因此可以長(zhǎng)期存在體內(nèi)環(huán)境。近年來，隨著熱等靜壓成形術(shù)和激光蝕刻技術(shù)的應(yīng)用，第三代氧化鋁陶瓷晶粒更加細(xì)小，純度和密度相對(duì)于以前來說都有所提高，在強(qiáng)度和硬度方面也有十分顯著的提升，并且碎裂率顯著降低；這些特點(diǎn)使得它在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中發(fā)揮重要作用。因?yàn)檠趸X擁有一個(gè)特性，就是無論是在高溫下還是在生理液體中都十分穩(wěn)定，而且將氧化鋁陶瓷應(yīng)用在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，氧化鋁自身的親水性能還可以減少材料的磨損，所以成為全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的優(yōu)良材料。氧化鋁陶瓷在航天方面也有著許多用途。航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)、導(dǎo)彈頭錐及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的墊圈都由氧化鋁陶瓷制成。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和制造水平的不斷提高，氧化鋁陶瓷行業(yè)迅速發(fā)展。陶瓷粉體的制備由微米級(jí)提高到了納米級(jí)水平，納米氧化鋁陶瓷具有燒結(jié)溫度低、強(qiáng)度高、韌性高等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，研制納米氧化鋁陶瓷已經(jīng)成為材料科學(xué)工作者的主要研究目標(biāo)之一。