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氧化铝陶瓷的性能及主要应用
2019年08月02日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:704
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氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料,工程实际应用的氧化铝陶瓷一般Al2O3含量在75%~99.9%之间通常以配料中的Al2O3含量来分类含量在75%左右75含量在85%的85瓷,含量在95%的为95瓷,含量在99%的为99瓷。

Al2O3陶瓷的性能

Al2O3瓷的用途非常广泛,Al2O3含量不同,其性能便有所不同,用途也各异。

1.机械强度高

Al2O3瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。Al2O3成分愈纯,强度愈高。强度在高温下可维持到900℃,如下图所示。利用Al2O3瓷的机械强度,可制成装置瓷和其他机械构件。Al2O3陶瓷的莫氏硬度可达到9,加上具有优良的抗磨损性能等,所以广泛地用于制造刀具、球酱294阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等,其中以Al2O3陶瓷刀具和工业用阀应用最广。

氧化铝陶瓷抗弯强度与温度的关系

2.电阻率高,电绝缘性能好

常温电阻率1015Ω·cm,绝缘强度15kV/mm,利用其绝缘性和强度,可以制成基板、管座、火花塞、电路外壳

3.硬度高

莫氏硬度为9,加上优良的抗磨损性,所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。Al2O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时,能够以高的切削速度获得高的精度。

4.熔点高,抗腐蚀

熔点2050℃,能较好地抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金属的侵蚀。对NaOH、玻璃、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗能力。在惰性气氛中不与Si、P、Sb、Bi作用。因此可用作耐火材料、炉管、玻璃拉丝坩、空心球、纤维、热电偶保护套等。

5.化学稳定性优良

许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与Al2O3作用。因此Al2O3可以制成纯金属和单晶生长的坩锅、人体关节、人工骨等。

6.光学特性

可以制成透光材料(透明Al2O3瓷),用以制造钠蒸气灯管、微波整流罩、红外窗口、激光振荡元件等。

7.离子导电性

用作太阳能电池材料和蓄电池材料。

Al2O3陶瓷的主要应用

1.机械方面

Al2O3陶瓷刀具由于具有硬度高、高温力学性能强、耐磨性能好、化学稳定性好、不易与金属发生黏结等特点,大量应用于硬材料切割、高速钢切割、超高速切割等一些难加工材料的切割。Al2O3陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高,可大幅提高对不同材料的切削效率。

Al2O3陶瓷刀具

Al203陶瓷刀具是指仅含有少量其他氧化物的高纯Al2O3陶瓷,其中Al2O3纯度99%以上。在纯Al2O3陶瓷中可以添加Zr02作为烧结助剂来提高它的断裂韧性。在制备陶瓷刀具中实现了对原来纯度和晶粒尺寸的有效控制,以及添加其他成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的Al2O3基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯Al2O3陶瓷的不足,从而提高了它的切削性能和耐用度。因为纯Al2O3陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好,但抗弯强度较低、抗抗冲击能力差的特点,目前它越来越多地被各种复合Al2O3陶瓷刀具所替代。

复合Al2O3陶瓷刀具

在复合陶瓷中,有几种复合方向:Al2O3-碳化物陶瓷刀具、Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具、Al2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。例如,Al2O3-碳化物陶瓷刀具,在Al2O3中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、Mo,C、Cr,C2等)可以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等,在添加物之中,其中以添加TiC的应用最多,与纯Al2O3陶瓷相比,Al2O3-碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论是常温还是高温都优于纯Al2O3陶瓷。此复合刀具适合于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。

增韧Al2O3陶瓷刀具

增韧Al2O3陶瓷刀具是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有:Zr02相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。

2.工业方面

目前,工业用阀门种类繁多,氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀等。

球阀:球阀的主要特点是本身结构紧凑,密封可靠,结构简单,维修方便,密封面与球面常在闭合状态,不易被介质冲蚀,易于操作和维修,适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质,而且还适用于工作条件恶劣的介质,如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等,在各行业得到广泛的应用。

旋塞阀:它广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中,同时也广泛用于石油化工、化工、煤气、天然气、液化石油气、暖通行业以及一般工业中。

闸阀、截止阀:它可广泛用于自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等体管线上作为调节和截流装置使用。

95%Al2O3陶瓷密封环和球阀

3.电子、电力方面

在电子、电力方面,有各种Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种Al2O3陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等,其中以Al2O3透明陶瓷和基片应用最广。

4.化工方面

在化工应用方面Al2O3陶瓷也有较广泛的用途,如Al2O3陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等,其中以Al2O3陶瓷膜、涂层研究和应用最多。

Al2O3陶瓷膜:膜分为有机高分子膜和无机膜等,自20世纪80年代以来,Al2O3陶瓷膜特别是多孔Al2O3陶瓷膜的研制与开发得到了大幅度的提升,在膜领域占据了重要的地位。Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有大量的应用,因此陶瓷无机膜日益受到科技界与工业界的广泛关注。

Al2O3涂层:钛合金材料高温氧化严重,为了提高其使用性能,可以在钛合金材料表面涂覆Al2O3涂层,这样也可以使钛合金材料的耐腐蚀和抗高温氧化等特性提高。

5.医学方面

在医学方面Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。Al2O3陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性,是制备人造骨和人造关节的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一样的缺点,如脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等,因此需要进一步研究应用。

6.建筑卫生陶瓷方面

在建筑卫生陶瓷方面,Al2O3陶瓷产品随处可见,如Al2O3陶瓷衬砖、研磨介质、棍棒、陶瓷保护管以及Al2O3质耐火材料等。其中以Al2O3球磨介质应用最广。Al2O3球磨介质具有合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀且价格低廉等特点,因此大部分的建筑卫生陶瓷方面的原材料都用Al2O3球磨介质加工。

陶瓷衬砖 衬板

7.其他方面

Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广的材料之一,除了以上的几种应用外,它还广泛应用于其他一些高科技领域,如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域。

①航空航天

在航空航天方面应用较多的是Al2O3基纤维,它具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能。Al2O3可以制备成高温耐热纤维,用于航天飞机上的隔热瓦和柔性隔热材料等。不仅如此,利用Al2O3纤维还可以用来增强金属基和陶瓷基复合材料,大量用于超音速喷气式飞机中的喷管及火箭发动机中的垫圈。

②高温工业炉

在高温工业炉领域中主要是用Al2O3基短纤维材料作为保温耐火材料,因为它具有密度小、隔热性好、热容量小等优点。这些优点不仅可以减轻高温炉的重量,而且使高温炉控温精确,进而更加节能。

③复合增强

Al2O3纤维增强金属基复合材料具有力学性能好、耐磨性高、膨胀系数低、硬度高等特点,这是因为Al2O3纤维与金属基体之间浸润性好、界面反应低。这些材料已经在汽车活塞、空气压缩机叶片的制造中得到了应用。Al2O3纤维还与树脂的结合性好,因此可以制备成Al2O3/树脂复合材料,它具有弹性大、硬度高等特点,可应用于钓鱼竿、高尔夫球杆、滑雪板、网球拍等体育器材制造行业。

粉体圈 作者:朱朱


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