氧化铝陶瓷不仅具有高绝缘性、高隔热性、耐腐蚀、硬度高等优点，且来源广泛，价格较低，是目前世界上生产量最大、应用面最广的陶瓷材料之一，广泛应用在机械加工、电子电力、化工、航天等领域。然而，由于Al₂O₃晶体原子半径小，离子键强大，晶格能较高，需要在极高的温度（2050℃）下才能克服强烈的离子键作用，从而使其熔化、烧结，这不仅需要消耗大量的能源，对热工设备的要求也高，更重要的是，较高的温度还极易使晶粒异常长大，导致结构不均匀，甚至出现大的内部封闭气孔，降低了晶粒间的结合强度，导致材料的性能下降。因此，无论是出于降低能耗、节约成本，还是为了提高使用性能，研究氧化铝陶瓷的低温烧结技术都显得尤为重要。

目前主要有3种方法可以降低氧化铝的烧结温度：

1、减小氧化铝粉末的粒度；

2、采用其他先进的低温烧结技术；

3、加入烧结助剂。

由于采用细粉的原料成本较高，而微波烧结、放电等离子烧结等低温烧结技术工艺要求高、设备成本高，因此，与前两种方法相比，只需往氧化铝粉体原料中添加烧结助剂的方法具有成本低、效果好、工艺简便的优点，是目前最有效、可行度最高的一种低温烧结方法。

氧化铝低温烧结助剂的分类和机理

烧结助剂促进氧化铝致密化的作用机制十分复杂，根据不同的烧结助剂中阳离子对烧结的促进作用不同，大致可分为以下四种：与氧化铝形成固溶体、烧结过程中与氧化铝形成低共熔体系、与氧化铝生成新相及原料中含有低熔点的玻璃相促进液相烧结。

1、与氧化铝形成固溶体

烧结助剂与氧化铝的置换固溶是促进氧化铝烧结致密化的重要机理。氧化铝与烧结助剂在高温下进行固溶置换时，一方面，溶质原子将会取代溶剂原子在晶格中的位置，由于阳离子与Al³⁺半径存在差异，将会造成晶格畸变而产生晶格缺陷，另一方面，由于阳离子与Al₂O₃价态不同，而晶体趋于电中性的特点导致晶体内部形成了阳离子空位，造成晶格收缩，这种晶格缺陷和阳离子空位有利于活化晶格，增大扩散速率，使氧化铝陶瓷易于重结晶，达到了促进烧结、降低烧结温度的目的。通常，能与氧化铝形成固溶体的烧结助剂是一些晶格常数与Al₂O₃相近的氧化物，大多含变价元素，如TiO₂、Cr₂O₃、Fe₂O₃、MnO₂等。

固溶置换造成的晶格缺陷

2、烧结过程中与氧化铝形成低共溶体系

低共熔溶剂是由两种或两种以上的固体通过氢键作用形成的共晶混合物，由于氢键受（HBA）体的阴离子和氢键供体（HBD）之间存在的强相互作用以及HBD供氢和HBA组分引起的电荷离域，其熔点会低于各单一组分的熔点。例如在积雪上撒盐的原理，就是利用了低共熔的原理使得积雪融化。

冰+盐低共熔体系的典型应用

在氧化铝的低温烧结中，通过加入可以与其他成分物质构成二元、三元或多元低共熔体系的烧结助剂，如SiO₂、CaO、MgO、SrO、BaO等，当加热到最低共熔温度时开始出现液相，由于共熔温度较加入助剂之前的理论烧结温度低，从而实现了低温烧结。

3、烧结过程中与氧化铝形成新相

在进行氧化铝的烧结时，添加有些烧结助剂（如MgO、SiO等）后会与氧化铝发生固相反应，生成镁铝尖晶石、莫来石等第二相，而第二相的形成可以活化晶格，促进氧化铝的烧结。一般来说，第二相的生成往往不是单独作用，而是伴随着产生液相、固溶体等其他机理，起到辅助促进烧结的效果。值得一提的是，产生的新相在改善氧化铝陶瓷性能方面具有重要的作用。如MgO在Al2O3表面形成的镁铝尖晶石，可以降低界面能，减少晶界的扩散速率，有效地抑制Al2O3晶体的生长，起到稳定剂的作用。

氧化铝和氧化镁反应生成镁铝尖晶石示意图^[2]

4、利用本身具有低熔点的玻璃相形成液相

在陶瓷烧结过程中，引入的具有低熔点的玻璃相物质（如硼酸盐等），会随着温度升高逐渐发生从固相到液相的转变，玻璃相的粘度也随之改变，在某一温度下当粘度减小到开始产生粘滞流动时，由于毛细管压力，可以促进生坯中粉粒的重新排列，达到更紧密的空间堆积，同时促进坯体中的小颗粒或固相颗粒的尖凸部在液相中溶解，通过液体扩散，凝析在粗颗粒的表面，加快反应进程，从而在较低的温度下实现陶瓷的烧结。目前，利用低熔点的玻璃相烧结助剂，可以将氧化铝的烧结温度降至900℃左右。

烧结助剂选配原则

单一助剂通常不能同时满足其烧结和机电性能的要求，有些情况下单一助剂在降低烧结温度的同时会导致陶瓷性能的降低。因此，在实际生产过程中，往往需要搭配采用多种不同助剂组成的复合添加剂。

为了使烧结助剂作用最大化，同时不影响材料的使用性能，选配复合助剂时首先要遵循以下原则:

（1）不同助剂之间应具有协同促进烧结的作用，多种不同机理的烧结助剂复合添加与单一助剂相比可以更好的降低烧成温度；

（2）不同助剂之间最好不发生反应，否则会减弱或抵消其促烧作用；

（3）不同助剂之间可以起到相互补充的作用，一种助烧剂在促进烧结的同时对材料性能产生的不利影响可以由另一种助剂进行弥补。

在具体选用不同助剂组成复合助剂的时候，对于形成低共熔体系的添加剂一般主要以玻璃形成体如SiO₂为主，辅以玻璃中间体BeO、ZnO等和玻璃调整体MgO、Li₂O、BaO、CaO、Sr₂O等形成MgO-Al₂O₃-SiO₂(MAS)，CaO-Al₂O₃-SiO₂(CAS)，Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ (LAS)等烧结助剂体系。对于高纯氧化铝陶瓷，通常都选用MgO作为基本的烧结助剂进行添加，形成镁铝尖晶石新相，构建低共熔体系，但是MgO的高温挥发性会使陶瓷表面产生大的晶粒，对氧化铝性能产生一定的影响，因此需要辅以其他烧结助剂，减小氧化铝的晶界长大速率，如可采用MgO和La₂O₃或Y₂O₃等复合的形式加入到氧化铝陶瓷中。目前，通过科研人员实验证明，比较常用的复合助剂包括CaO-MgO-SiO₂体系、MnO₂-TiO₂-MgO体系以及CuO-SiO₂体系均能在显著降低烧结温度的同时，起到细化晶粒、稳定结构、改善材料力学性能等作用。

参考来源：

1、李悦彤,杨静.氧化铝陶瓷低温烧结助剂的研究进展[J].硅酸盐通报.

2、陈伟鹏.氧化镁—氧化铝原位合成镁铝尖晶石反应行为的研究[D].苏州大学.

粉体圈Corange整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。