氧化铝陶瓷(课堂PPT).ppt

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aAl,2,O,3,为主晶相的陶瓷材料。,根据Al,2,O,3,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 Al,2,O,3,+TiO,2复合陶瓷刀具,二、分类：,（1）高纯Al,2,O,3,陶瓷,99.9，Tm=2050,0,C,烧结温度：1650,0,C1950,0,C,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：1700,0,C,坩锅、耐火炉管、耐磨材料（水阀、密封件）,3,）,95,瓷,95,，,烧结温度：,1650,0,C,中等耐腐烛材料、耐磨材料,（4）85瓷,85，,烧结温度：1400,0,C1600,0,C,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,Al,2,O,3,化工、耐磨陶瓷配件,Al,2,O,3,密封、气动陶瓷配件,单相Al,2,O,3,陶瓷组织,95瓷纺织件,99瓷纺织件,氧化铝耐高温喷嘴,氧化铝陶瓷转心球阀,氧化铝陶瓷密封环,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Al,2,O,3,主要有三种：,Al,2,O,3,，Al,2,O,3,，Al,2,O,3,一、Al,2,O,3,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Al,2,O,3,多孔材料，吸附剂,二、Al,2,O,3,三方晶系，,刚玉型结构,结构最紧密，活性低，温度稳定，电学性能和机电性能优良,三、Al,2,O,3,多铝酸盐矿物，RO,.,6Al,2,O,3,、R,2,O,.,11Al,2,O,3,NaO,-1,层和Al,11,O,12,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,。如：300度，钠离子扩散系数达110,-5,cm,2,/s导电率达310,-3,s/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,成型,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：,主要成分为Al,2,O,3,还有少量的,Fe,2,O,3,等杂质,溶解,铝土矿,NaOH溶液,过滤,残渣,二氧化碳,酸化,过滤,滤液,灼烧,NaAlO,2,Al(OH),3,Al,2,O,3,残渣：钠长石及Fe和Ti杂质,11501200,溶解,铝土矿,NaOH溶液,过滤,残渣,二氧化碳,酸化,过滤,滤液,灼烧,NaAlO,2,Al(OH),3,Al,2,O,3,11501200,B：贫矿石,酸化,H,2,SO,4,C：高纯度AL,2,O,3,熔融,铝土矿,Al,2,O,3,20002400,电弧炉,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Al,2,O,3,转变成稳定的Al,2,O,3,，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，Al,2,O,3,原料脆性提高，易于原料进一步细化,可以排除原料中的Na,2,O，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：,H,3,BO,3,、,AlF,3,、NH,4,F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,，利于粉体参与物理或化学发应,粉体在粉碎过程中，受到,热作用或机械力的撞击、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,，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%,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Al,2,O,3,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Al,2,O,3,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,注浆成型：,2629水10阿拉伯树胶水溶液（浓度10）少量的苯AL,2,O,3,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AL,2,O,3,挤压成型：,糊精、工业糖浆、聚醋酸乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯醇,热压成型：,0.30.7油酸1618石蜡AL,2,O,3,三、烧结,1、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,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,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,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,（1）、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,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过程。,添隙离子扩散2.5时，刚玉晶体长大迅速，空隙大，结构不致密,通常MnO/SiO,2,1.28,0.5%Cr,2,O,3,MnOAl,2,O,3,SiO,2,机械强度更优、导热率更大，但介电损耗增加。,烧结范围宽,4，黑色氧化铝陶瓷,着色氧化物：Fe,2,O,3,、CoO、Cr,2,O,3,、MnO,2,1450度,引入尖晶石晶相、抑制着色氧化物挥发。,5 Al,2,O,3,复相陶瓷,