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如何改善粉体制备工艺提高氧化铝陶瓷的烧结活性?
2022年05月13日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:256
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氧化铝陶瓷是目前世界上产量较高、应用较为广泛的一种陶瓷材料,具有硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、介电性优异等优势,广泛的应用于陶瓷、集成电路、航空航天等方面。并且随着 5G 时代的到来,氧化铝陶瓷在电路基板、电极共烧等方面也受到了更多的青睐,应用变得更为广泛。

由于氧化铝陶瓷自身阳离子电荷较多、离子键较强、晶格能较大,其烧结过程主要靠晶体再结晶完成,因此烧结温度较高。按照α-Al2O3的含量划分,85氧化铝陶瓷的烧结温度一般在1480℃~1550℃之间,90氧化铝陶瓷的烧结温度一般在1550℃~1600℃之间,95氧化铝陶瓷的烧结温度一般在1600℃~1650℃之间,高纯99氧化铝陶瓷的烧结温度一般大于1750℃。过高的温度会消耗过多的能源,污染大气环境,同时对生产设备要求也极高,大大增加了企业的生产成本,因此降低氧化铝陶瓷的烧结温度,减少能耗,节约生产成本就成为了企业迫切需要解决的问题。

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷的烧结温度与制备体系的烧结活性有关,烧结活性越高,晶体再结晶需要的能耗越低,烧结温度即可降低。

目前主要有三种方法可以降低氧化铝陶瓷的烧结温度,它们分别为:

(1)改变粉体特性:采用粒度比较小、比表面积比较大、活性较高的初始α-Al2O3粉体可以降低氧化铝陶瓷的烧结温度;

(2)添加烧结助剂:添加不同配料比的烧结助剂,通过不同的作用机理来降低氧化铝陶瓷的烧结温度,但是烧结助剂的存在会影响氧化铝陶瓷的纯度以及质量,影响产品的性能;

(3)改变烧结方式:使用特殊的烧结工艺代替传统的烧结工艺,例如热压烧结、微波等离子烧结、热等静压烧结等方式来降低氧化铝陶瓷的烧结温度,然而此方法设备成本较高,很难达到产业化。

因此从根本上改善氧化铝陶瓷的烧结活性,制备出性能优异的氧化铝陶瓷的前提是制备性能优异的α-Al2O3粉体。传统α-Al2O3粉体制备温度比较高,一般在1100℃以上,并且纯度得不到保证,温度过高就会导致粉体之间产生硬团聚,硬团聚的存在不利于氧化铝陶瓷的烧结,因此降低α-Al2O3粉体的制备温度增加α-Al2O3陶瓷的烧结活性就尤为重要。

降低α-Al2O3粉体制备温度的途径

1.加入纳米α-Al2O3籽晶

在前驱体中加入纳米α-Al2O3籽晶是降低α-Al2O3粉体合成温度的一种较为常见的方法。

这是由于在α-Al2O3的生成过程中,当温度上升到1000°C时,θ相逐渐减少,α相逐渐增多,在1100°C时θ-Al2O3几乎完全转化成α相,到1200°C时θ→α-Al2O3的相变完成。α-Al2O3籽晶的加入,可使原体系中部θ-Al2O3晶粒生长到相变临界粒径,使晶核相变温度降低至某一低温范围,成为一个子系统存在于原粉体的母体系中,而子母两个系统分别在较低的温度和原温度先后发生相变。

籽晶的加入可以降低α-Al2O3的成核势垒并且大幅度提高了α相在过渡相中的成核密度,在较低的温度下前驱体就可以转化为氧化铝。除了α-Al2O3籽晶,氧化锌也可以作为籽晶来降低α-Al2O3粉体的合成温度。

θ→α-Al2O3相变过程中晶粒成核长大的示意图

θ→α-Al2O3相变过程中晶粒成核长大的示意图

2.加入矿化剂

矿化剂在氧化铝粉体的合成过程中能起到降低煅烧温度、除杂提纯、提高α相转化率、控制晶粒尺寸等作用,这是由于加入矿化剂可以增强过渡相到α相的传输。

例如,加入氟化物可以与Al2O3形成活性中间化合物AlOF的形式参与到固相反应中,加速过渡型氧化铝向α型氧化铝的成核和核生长过程中的物质扩散,从而降低θ-Al2O3到α-Al2O3的相变温度;而加入铵盐的作用机理是铵盐分解释放能量,造成AlOOH及过渡型Al2O3基体含有大量高能缺陷和晶格畸变,也可能使少量过渡型Al2O3在较低温度下转变为α-Al2O3,它又可作为θ-Al2O3转变为α-Al2O3的晶核,使高温型α-Al2O3的形成温度降低。

不同矿化剂的作用

不同矿化剂的作用

3.采用高能球磨

一般来说,陶瓷材料较金属材料相比塑性较差,在机械球磨的过程中,陶瓷粉体经过粉碎、剪切等作用,晶粒迅速细化,化学活性急剧升高。有些陶瓷粉体在很轻微的球磨作用下就可以发生相变反应,获得常温亚稳相或者高温高压亚稳相。

这是因为当陶瓷粉末经过球磨后,随着外界机械能的输入,陶瓷粉体的内能也不断增加,这些能量以表面自由能、应变能的形式存在。随着球磨时间的增加,粉体粒度越来越小,粉末表面的自由能越来越高,并在整个体系中占主导地位。通过一定的高能球磨,储存在前驱体粉体中的应变能在煅烧时得到释放并降低α相变的激活能,从而降低α-Al2O3的形成温度。

高能球磨对粉体性质的影响

高能球磨对粉体性质的影响


参考来源:

1. 溶胶凝胶法制备α-Al2O3粉体的研究,张蒙(重庆理工大学);

2. α-Al2O3籽晶对Al2O3晶型转变及形貌的影响,李江、潘裕柏、宁金威、黄莉萍、郭景坤(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室);

3. 矿化剂在α-氧化铝纳米粉体制备中的作用,李素平、贾晓林、尚学军、钟香崇(1.郑州大学高温材料研究所;2.郑州大学材料科学与工程学院);

4. 氧化铝晶粒度的影响因素探讨,洪淑翠。


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