氧化鋁陶瓷簡(jiǎn)介 氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高, 絕緣電阻大, 硬度高, 耐磨、耐腐蝕及耐高溫等一系列優(yōu)良性能, 其廣泛應(yīng)用于陶瓷、紡織、石油、化工、建筑及電子等各個(gè)行業(yè), 是目前氧化物陶瓷中用途較廣、產(chǎn)銷量較大的陶瓷新材料。 通常氧化鋁陶瓷分為2大類, 一類是高鋁瓷, 另一類是剛玉瓷。高鋁瓷是以Al2O3和SiO2為主要成分的陶瓷, 其中Al2O3的含量在45%以上, 隨著Al2O3含量的增多, 高鋁瓷的各項(xiàng)性能指標(biāo)都有所提高;由于瓷坯中主晶相的不同, 又分為剛玉瓷、剛玉—莫來石瓷、莫來石瓷等。根據(jù)Al2O3含量的不同, 習(xí)慣上又稱為75瓷、80瓷、85瓷、90瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。
作為陶瓷原料主要成分之一的氧化鋁在地殼中含量非常豐富, 在巖石中平均含量為15.34%, 是自然界中僅次于SiO2存量的氧化物。一般應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的氧化鋁主要有2大類, 一類是工業(yè)氧化鋁, 另一類是電熔剛玉。
1、工業(yè)氧化鋁
工業(yè)氧化鋁一般是以含鋁量高的天然礦物鋁土礦 (主要礦物組成為鋁的氫氧化物, 如一水硬鋁石 (xAl2O3·H2O) 、一水軟鋁石、三水鋁石等氧化鋁的水化物組成) 和高嶺土為原料, 通過化學(xué)法 (主要是堿法, 多采用拜爾法——堿石灰法) 處理, 除去硅、鐵、鈦等雜質(zhì)制備出氫氧化鋁, 再經(jīng)煅燒而制得, 其礦物成分絕大部分是γ-Al2O3。 工業(yè)氧化鋁是白色松散的結(jié)晶粉末, 顆粒是由許多粒徑<0.1 μm的γ-Al2O3晶體組成的多孔球形聚集體, 其孔隙率約為30%, 平均粒徑為40～70 μm。
工業(yè)氧化鋁的3項(xiàng)主要雜質(zhì)成分中, Na2O及Fe2O3將降低氧化鋁瓷件的電性能, Na2O的含量應(yīng)<0.5%～0.6%, Fe2O3含量應(yīng)<0.04%。另外, 在電真空瓷件中, 工業(yè)氧化鋁不得含有氯化物、氟化物等, 因?yàn)樗鼈兡芮治g電真空裝置。
2、電熔剛玉
電熔剛玉是以工業(yè)氧化鋁或富含鋁的原料在電弧爐中熔融, 緩慢冷卻使晶體析晶出來, 其Al2O3含量可達(dá)99%以上, Na2O含量可減少至0.1%～0.3%。電熔剛玉的礦物組成主要是α-Al2O3, 純正的電熔剛玉呈白色, 稱為白剛玉;熔制時(shí)加入氧化鉻, 可制成紅色的鉻剛玉;加入氧化鋯時(shí)可制成鋯剛玉;電熔剛玉中含有TiO2則稱鈦剛玉。這一系列的電熔剛玉由于熔點(diǎn)高、硬度大, 是制造高級(jí)耐火材料、高硬磨料磨具的優(yōu)質(zhì)原料 (剛玉熔點(diǎn)為2 050 ℃, 莫氏硬度為10) 。
氧化鋁瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa，熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa。氧化鋁陶瓷的莫氏硬度可達(dá)到9，加上具有優(yōu)良的抗磨損性能等，所以廣泛地用于制造刀具、球閥、磨輪、陶瓷釘、軸承等，其中以氧化鋁陶瓷刀具和工業(yè)用閥應(yīng)用較廣。
1、純氧化鋁陶瓷刀具
氧化鋁陶瓷刀具的較佳切削速度比一般的硬質(zhì)合金刀具高，可大幅提高對(duì)不同材料的切削效率。隨著科學(xué)工作者的大量研究，添加其它成分構(gòu)成兩相或以固溶體形式存在于基體之中的氧化鋁基復(fù)合陶瓷和晶須增強(qiáng)陶瓷中。這些技術(shù)彌補(bǔ)了純氧化鋁陶瓷的不足，從而提高了它的切削性能和耐用度。
2、復(fù)合氧化鋁陶瓷刀具
氧化鋁-碳化物陶瓷刀具，是在氧化鋁中添加一定的碳化物，以提高它的強(qiáng)度、耐磨性、抗沖擊性以及高溫性能等。由于添加了金屬，提高了氧化鋁與碳化物的連接強(qiáng)度，改善了使用性能，此類陶瓷刀具適合于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料等。
3、增韌氧化鋁陶瓷刀具
增韌氧化鋁陶瓷刀具是指在氧化鋁基體中添加增韌或增強(qiáng)材料。目前常用的增韌方法有：ZrO2相變?cè)鲰g、晶須增韌、第二相顆粒彌散增韌等。
在電子、電力方面，有各種氧化鋁陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明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，其中以氧化鋁透明陶瓷和基片應(yīng)用較廣。
1、氧化鋁透明陶瓷
當(dāng)前透明陶瓷是材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要前沿方向。透明陶瓷作為一種新興材料，除了本身具有寬范圍的透光性外，還具有高熱導(dǎo)率、低電導(dǎo)率、高硬度、高強(qiáng)度、低介電常數(shù)和介電損耗、耐磨性和耐腐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。
2、氧化鋁陶瓷基片
氧化鋁陶瓷基片具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、避光性高等優(yōu)良性能，廣泛用于多層布線陶瓷基片、電子封裝及高密度封裝基片。
在化工應(yīng)用方面，氧化鋁陶瓷也有較廣泛的用途，如氧化鋁陶瓷化工填料球、無機(jī)微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以氧化鋁陶瓷膜和涂層的研究和應(yīng)用較多。
在醫(yī)學(xué)方面，氧化鋁更多的是用于制造人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工牙齒等。
優(yōu)點(diǎn)：氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的生物相容性、生物惰性、理化穩(wěn)定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關(guān)節(jié)的理想材料。
缺點(diǎn)：脆性大、斷裂韌性低、機(jī)加工技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜等。
在建筑衛(wèi)生陶瓷方面，產(chǎn)品隨處可見，如氧化鋁陶瓷襯磚、研磨介質(zhì)、輥棒、陶瓷保護(hù)管以及氧化鋁質(zhì)耐火材料等。其中以氧化鋁球磨介質(zhì)應(yīng)用較廣。
氧化鋁陶瓷是目前新材料中研究較多、應(yīng)用較廣的材料之一，除了以上的幾種應(yīng)用外，它還廣泛應(yīng)用于其它一些高科技領(lǐng)域，如航空航天、高溫工業(yè)爐、復(fù)合增強(qiáng)等領(lǐng)域。
氧化鋁陶瓷的制備會(huì)經(jīng)歷較多生產(chǎn)工序，在過程中物料與機(jī)械、設(shè)備、工具、器皿、環(huán)境接觸機(jī)會(huì)較多，因此，出現(xiàn)污染及瓷件質(zhì)量問題的因素也較多。一般情況下，氧化鋁陶瓷燒成后常見的有關(guān)顏色的質(zhì)量問題有：
（1）瓷件表面有斑點(diǎn)，如黑點(diǎn)、棕點(diǎn)、紅點(diǎn)；
（2）瓷件表面產(chǎn)生斑塊，如暗斑(陰斑)，黑色云斑、亮斑等；
（3）瓷件有色差現(xiàn)象，如整體發(fā)黃或發(fā)灰；
（4）瓷件呈現(xiàn)淡黃色。
下面我們就針對(duì)上述問題一一來分析。
有些氧化鋁陶瓷制品表面會(huì)有黑色、褐色、棕色和粉紅色斑點(diǎn)，仔細(xì)觀察內(nèi)部也有，一般比較明顯，采集樣品分析也比較容易，可用電鏡、能譜分析或化學(xué)分析，一般定性分析即可。產(chǎn)生黑色、棕色和褐色斑點(diǎn)的主要雜質(zhì)成分為Fe，粉紅色斑點(diǎn)的主要雜質(zhì)為Fe，Cr、Ni。通過分析斑點(diǎn)成分和追蹤生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程，可以初步判定黑色、棕色、褐色斑點(diǎn)主要在原料及陶瓷生產(chǎn)過程中混入機(jī)械鐵粒子造成。而粉紅色斑點(diǎn)從成分分析可以判斷是由不銹鋼材料的細(xì)小顆粒造成。機(jī)械雜質(zhì)混入主要有兩方面：一是原料；二是生產(chǎn)過程。
解決方案
在模壓成型時(shí)要注意：
原料：盡量選擇質(zhì)量好含鐵低的原料，必要時(shí)進(jìn)行磁選除鐵。
研磨：掉磚，注意觀察球磨機(jī)襯磚是否脫落，并及時(shí)修補(bǔ)。
造粒：料漿輸送加裝磁選除鐵，熱風(fēng)爐、熱風(fēng)過濾以避免熱風(fēng)系統(tǒng)鐵銹進(jìn)入物料。造粒粉在較終產(chǎn)品包裝前進(jìn)行磁選除鐵。
管道：所有輸送管道盡可能加襯聚氨酯。
有些氧化鋁陶瓷制品在生產(chǎn)過程中會(huì)有暗斑，這種暗斑常常出現(xiàn)在管狀瓷件或比較厚，面積比較大的瓷件上，尤其是以造粒，等靜壓成型工藝的比較常見。暗斑一般隱藏在瓷件內(nèi)部，要在燈光照射下才能發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重的瓷件表面也會(huì)出現(xiàn)。
暗斑形成的原因與陶瓷配方、生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝都有關(guān)系。
解決方案
要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來分析，基本措施如下：
（1）制定合理的燒成曲線，在瓷件的燒成過程中要有足夠的排膠溫度和時(shí)間；
（2）加強(qiáng)窯爐的排風(fēng)，保持適當(dāng)氧化氣氛；
（3）在燒成溫度范圍內(nèi)盡量提高燒成溫度，或者適度延長(zhǎng)高溫段停留時(shí)間。
氧化鋁陶瓷(95、99瓷)薄片狀瓷件，特別是流延法生產(chǎn)工藝的基板，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生亮斑，大小在1-2mm，在燈光照射下更加明顯。 通過100倍以上的顯微鏡觀察可發(fā)現(xiàn)，亮斑處為瓷件表面呈凹陷狀。由于凹陷處較薄造成透光率大，產(chǎn)生亮斑。觀察凹陷形狀和結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是機(jī)械損傷造成，如流延法成型時(shí)，基板坯體與基帶粘連或其它原因造成的機(jī)械損傷。這種情況要注意在坯體生產(chǎn)和存放及搬移過程中避免機(jī)械損傷。
氧化鋁95瓷一般為白色，由于配方不同白度略有差別。但有時(shí)在生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)有些瓷件呈現(xiàn)發(fā)灰的現(xiàn)象，此現(xiàn)象一般是整批出現(xiàn)，單獨(dú)看不出來，只有和正常瓷件放在一起對(duì)比觀察才能發(fā)現(xiàn)。另外，瓷件的電性能、機(jī)械性能均無明顯差異，一般情況下并不影響用戶使用，但由于產(chǎn)品批次之間對(duì)比有色差，往往用戶會(huì)產(chǎn)生疑問，影響產(chǎn)品銷售。這個(gè)問題主要是生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)污染造成。
解決措施
（1）調(diào)整改進(jìn)研磨工藝，選擇磨耗較低的研磨介質(zhì)，找出較佳研磨條件，如料球比、研磨時(shí)間、磨機(jī)工作參數(shù)等降低瓷球和瓷襯的磨耗，減少研磨過程雜質(zhì)的引入；
（2）熱壓鑄成型時(shí)，定期更換排蠟粉并選用專用排蠟粉，避免在排蠟過程中污染瓷件坯體。
正常情況下，氧化鋁陶瓷瓷燒成后為白色，但有些卻呈現(xiàn)出淡淡的黃色，隨著氧化鋁含量越高及瓷件的致密性越高，這種現(xiàn)象越明顯。而且經(jīng)過日光照射后會(huì)變色，與沒有照射的瓷件比較略顯黃色，并有隨著照射時(shí)間的增加，顏色愈深。
這種情況可能是以下幾個(gè)原因造成的：
（1）陽光照射之后，其內(nèi)部的成分發(fā)生的變化，而這種變化又是不可逆的，因此顏色也會(huì)有所改變。
（2）可能是氧化鋁陶瓷發(fā)生了潮解，從而產(chǎn)生了水合氧化鋁。其實(shí)不僅是陶瓷產(chǎn)品有這種特性，其他材料也會(huì)有，所以我們也只能通過盡量減少外界因素的影響來克服氧化鋁精密陶瓷變色的現(xiàn)象。
（3）高氧化鋁含量的99以上陶瓷以固相燒結(jié)為主，燒結(jié)助劑固熔到氧化物晶體并富集在晶界上，導(dǎo)致晶體純度下降，呈現(xiàn)出以黃為基調(diào)的顏色，并且由于表面晶格缺陷等原因?qū)е卤砻嫣幱趤喎€(wěn)定狀態(tài)，易于吸附各種微細(xì)的物質(zhì)，呈現(xiàn)變色。