【原創】讓氧化鋁陶瓷的燒結溫度降下來，你試試從這4個方面入手

中國粉體網訊  隨著科技的發展，對工程材料的性能也提出了新的要求，氧化鋁陶瓷由于性能優異而得到廣泛應用。然而由于燒結溫度高，需要消耗大量的能源，對熱工設備的要求也高，因而在一定程度上限制了它的使用范圍。從節約能源、降低排放量、保護環境的角度出發，氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術成為了重要的研究方向。

目前，對于降低氧化鋁陶瓷燒結溫度方面的研究較多，歸納起來主要有4個方面：提高原料粉體的細度和活性；優化配方體系；采用特殊燒結工藝；添加燒結助劑。

下面我們就從這4個方面闡述一下如何降低氧化鋁陶瓷燒結溫度。

提高原料粉體的細度和活性

對原料進行制備時，最重要的是控制所制得的粉末原料的粒徑。粒徑應該微細，因為燒結是通過表面張力來使物質遷移而得到實現。高溫氧化物較難燒結，原因之一是它們有較大的晶格能和較穩定的結構狀態。質點遷移需要較高的活化能，即活性較低。采用晶粒小，比表面積大，表面活性高的單分散超細Al₂O₃粉料，由于顆粒間擴散距離短，只需要較低的燒結溫度和燒結活化能。

表一：粉體顆粒尺寸與燒結溫度的關系(燒結擴散活化能Q=418KJ/mol)

目前，制備超細活化易燒結Al₂O₃粉體的方法分為兩大類，一類是機械法，另一類是化學法。機械法是用機械外力作用使Al₂O₃粉料顆粒細化，常用的粉碎工藝有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、氣流粉碎等，其中砂磨是制備超細陶瓷粉體的有效途徑之一。通過機械粉碎方法來提高粉料的比表面積，盡管是有效的，但有一定限度，通常只能使粉料的平均粒徑小至1μm左右或更細一點，而且有粒徑分布范圍較寬，容易帶入雜質的缺點。

近年來，采用濕化學法制備超細高純粉體技術得到較快發展，其中較為成熟的是溶膠-凝膠法，可以制備傳統方法無法制備的材料。溶膠高度穩定，可將多種金屬離子均勻、穩定地分布于膠體中，通過進一步脫水形成均勻的凝膠（無定形體），再經過合適的處理便可獲得活性極高的超微粉混合氧化物或均一的固溶體。

優化配方體系

氧化鋁陶瓷Al₂O₃含量范圍為75%~99%(質量比)，特別是常用的95氧化鋁瓷，為了達到致密化和降低燒結溫度常引人可形成玻璃液相的助燒劑(如CaO、SiO₂、MgO等)，氧化鋁陶瓷液相燒結的常見組成體系有CaO-Al₂O₃-SiO₂體系、MgO-Al₂O₃-SiO₂體系、CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂體系。

對于上述三個體系的比較，在氧化鋁含量相同時，MgO-Al₂O₃-SiO₂體系優點是抗酸性好，結構中晶粒細小，但是燒結溫度往往比CaO-Al₂O₃-SiO₂體系燒結溫度高，CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂體系配方具有燒成溫度低、晶粒較小、纖維結構較致密、抗酸堿腐蝕的能力強等優點，是一種比較理想的配方體系。

特殊燒結工藝

1、熱壓燒結

采用熱壓燒結工藝，在對坯體加熱的同時進行加壓，燒結不僅是通過擴散傳質來完成，此時塑性流動起了重要作用，坯體的燒結溫度將比常壓燒結低很多，因此熱壓燒結是降低陶瓷燒結溫度的重要技術之一。就氧化鋁瓷而言，常壓下普通燒結必須燒至1800℃以上，熱壓燒結則只需要燒至1500℃左右。

2、熱等靜壓燒結

熱等靜壓燒結也是一種成型和燒成同時進行的方法，它是對坯體加熱同時對其施加各向同性等靜壓的燒結，它的最大特點是能在較低的燒成溫度(僅為熔點的50%-60%)下，在較短的時間內得到各向完全同性，幾乎完全致密的細晶粒陶瓷制品，但是熱等靜壓燒結需要對素坯進行包封，設備和工藝控制都較復雜，產品成本高，生產效率低，所以也很難實現工業化生產，只是用來研究和生產傳統工藝無法解決的新材料。

3、微波加熱燒結

它是利用微波與介質相互作用，因介電損耗而使陶瓷坯體表面和內部同時加熱而燒結。微波燒結不同于普通的燒結，氣熱流方向是由里向外的，有利于坯體內的氣體向表面擴散并溢出。同時微波使粒子的活性提高，易于遷移，從而促進致密化過程。與常規燒結方法相比，陶瓷微波燒結方法能加速加熱和燒結，因內外整體加熱，溫度場均勻，熱應力小，且具有能效高，無污染等優點。

4、微波等離子體燒結

微波等離子體燒結由于快速加熱，減小了由于表面擴散(主要發生在傳統燒結的低溫階段)而引起的晶粒粗化，為晶界擴散和體積擴散提供了較強的驅動力和較短的擴散途徑，從而導致了陶瓷顯微結構的細化。

添加燒結助劑

燒結助劑可以形成晶間液相或與基體形成固溶。對于燒結助劑的作用機制是燒結助劑形成的晶間液相有利于晶界遷移，并且能夠加快燒結時物質的傳輸速率。而燒結助劑與基體形成的固溶，可以促進缺陷數量的增加，達到活化晶格促進致密化的目的。近來，有研究報道表明可通過在Al₂O₃引入添加劑，在Al₂O₃陶瓷中原位生成片晶，起到類似晶須對材料強韌化的作用，片晶分布均勻，與基體物理、化學相容性好，大大提高了材料的力學性能；另外，通過加入添加劑和預埋晶種可以獲得織構化的顯微結構。

就燒結助劑來說，歸納起來有兩類：

1、與Al₂O₃低溫生成液相的添加劑

與Al₂O₃低溫生成液相的添加劑此類添加劑有SiO₂、MgO、CaO、BaO、SrO等堿土金屬的氧化物，它們多為立方密堆積、NaCl型晶體結構。

2、與Al₂O₃晶體生成固溶體的添加劑

可與Al₂O₃晶體生成固溶體的添加劑有：TiO₂、Cr₂O₃、Fe₂O₃、MnO₂等，它們的晶格常數與Al₂O₃相差不大，大多含變價元素，可與Al₂O₃形成不同類型的固溶體，且變價作用增強了晶格缺陷，活化了晶體，使該基體容易燒結。

參考來源：

[1]周新星.氧化鋁陶瓷燒結助劑研究概述

[2]單達文.關于降低氧化鋁陶瓷燒結溫度的研究

[3]王珍等.影響氧化鋁陶瓷低溫燒結的主要因素

[4]蔡曉峰.氧化鋁陶瓷的低溫燒結技術

[5]劉建紅等.氧化鋁陶瓷低溫燒結技術的探討

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