一、氧化鋁陶瓷簡介

氧化鋁陶瓷材料。具有機械強度高、硬度大、高頻介電損耗小、高溫絕緣電阻高、耐化學腐蝕性和導熱性良好等優良綜合技術性能。同時其生產原料來源廣、價格相對便宜、加工制造技術較為成熟等優勢，故已被廣泛應用于電子、電器、機械、化工、紡織、汽車、冶金和航空航天等行業，成為目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。

氧化鋁陶瓷是一種以α氧化鋁為主晶相的陶瓷材料，氧化鋁含量一般在75~99.9%之間，通常習慣以氧化鋁的含量來分類。氧化鋁的含量在75%左右稱為“75瓷”，含量在85%左右稱作“85瓷”，含量在99%左右稱作“99瓷”。含量在99%以上的稱作剛玉瓷或純剛玉瓷。

99瓷氧化鋁瓷材料主要用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。

氧化鋁有α（剛玉型）、β、γ、δ等11種變體，其中主要是α、γ兩種晶型，而且只有一種熱力學穩定相，即α氧化鋁。而β氧化鋁是含堿的鋁酸鹽(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。它們的結構各不相同。

氧化鋁陶瓷

二、氧化鋁陶瓷低溫燒結技術

由于氧化鋁熔點高達2050℃，導致氧化鋁陶瓷的燒結溫度普遍較高（參見表一中標準燒結溫度），從而使得氧化鋁陶瓷的制造需要使用高溫發熱體或高質量的燃料以及高級耐火材料作窯爐和窯具，這在一定程度上限制了它的生產和更廣泛的應用。因此，降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度，降低能耗，縮短燒成周期，減少窯爐和窯具損耗，從而降低生產成本，一直是企業所關心和急需解決的重要課題。

當前各種氧化鋁瓷的低溫燒結技術，歸納起來，主要是從原料加工、配方設計和燒成工藝等三方面來采取措施，下面分別加以概述。

1、通過降低氧化鋁粉體的粒徑，提高粉體活性來降低瓷體燒結溫度。

粉體具有較高的表面自由能。粉體的這種表面能是其燒結的內在動力。因此，Al2O3粉體的顆粒越細，活化程度越高，粉體就越容易燒結，燒結溫度越低。在氧化鋁瓷低溫燒結技術中，使用高活性易燒結氧化鋁粉體作原料是重要的手段之一，因而粉體制備技術成為陶瓷低溫燒結技術中一個基礎環節。

目前，制備超細活化易燒結氧化鋁粉體的方法分為二大類，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粉體顆粒細化，常用的粉碎工藝有球磨粉碎、振磨粉碎、砂磨粉碎、氣流粉碎等等。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，采用濕化學法制造超細高純Al2O3粉體發展較快，其中較為成熟的是溶膠—凝膠法。由于溶膠高度穩定，因而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。

2、通過瓷料配方設計摻雜降低瓷體燒結溫度

氧化鋁陶瓷的燒結溫度主要由其化學組成中氧化鋁的含量來決定，氧化鋁含量越高，瓷料的燒結溫度越高，除此之外，還與瓷料組成系統、各組成配比以及添加物種類有關。因此，在保證瓷體滿足產品使用目的和技術要求的前提下，我們可以通過配方設計，選擇合理的瓷料系統，加入適當的助燒添加劑，使氧化鋁陶瓷的燒結溫度盡可能降低。

目前配方設計中所加入的各種添加劑，根據其促進氧化鋁陶瓷燒結的作用機理不同，可以將它們分為形成新相或固溶體的添加劑和生成液相的添加劑二大類。

第一類：與氧化鋁形成新相或固溶體的添加劑

這類添加劑是一些與氧化鋁晶格常數相接近的氧化物，如TiO2、Cr2O3、fe2O3、MnO2等。這類添加劑促進氧化鋁瓷燒結的作用具有一定的規律性：A、能與氧化鋁形成有限固溶體的添加劑較形成連續固溶體的添加劑的降溫作用更大；B、可變價離子一類添加劑比不變價的添加劑的作用大；C、陽離子電荷多的、電價高的添加劑的降溫作用更大。需要注意的是，由于這類添加劑是在缺少液相的條件下燒結的（重結晶燒結），故晶體內的氣孔較難填充，氣密性較差，因而電氣性能下降較多，在配方設計時要加以考慮。 

第二類：燒成中形成液相的添加劑

這類添加劑的化學成分主要有SiO2、CaO、MgO、SrO、BaO等，它們能與其它成分在燒成過程中形成二元、三元或多元低共熔物。由于液相的生成溫度低，因而大大地降低了氧化鋁瓷的燒結溫度。當有相當量（約１２％）的液相出現，固體顆粒在液相中有一定的溶解度及固相顆粒能被液相潤濕時，其促進燒結作用也更顯著。其作用機理在于液相對固相表面的潤濕力及表面張力，兩者使得固相顆粒靠近并填充氣孔。此外，燒結過程中因細小有缺陷的晶體表面活性大，故在液相中的溶解度要比大晶體的大得多。這樣，燒結過程中小晶體不斷長大，氣孔減小，出現重結晶。為了防止因重結晶使晶粒過分長大，影響陶瓷的機械性能，在配方設計中需考慮選用一些對晶粒增大無影響甚至能抑制晶粒增大的添加物，如MgO、CuO和NiO等。 

3、采用特殊燒成工藝降低瓷體燒結溫度

采用熱壓燒結工藝，在對坯體加熱的同時進行加壓，那么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Al2O3陶瓷燒結溫度的重要技術之一。目前熱壓燒結法中有壓力燒結法和高溫等靜壓燒結法（HIP）二種。HIP法可使坯體受到各向同性的壓力，陶瓷的顯微結構比壓力燒結法更加均勻。就氧化鋁瓷而言，如果常壓下普通燒結必須燒至1800℃以上的高溫，熱壓20MPa燒結，在1000℃左右的較低溫度下就已致密化了。熱壓燒結技術不僅顯著降低氧化鋁瓷的燒結溫度，而且能較好地抑制晶粒長大，能夠獲得致密的微晶高強的氧化鋁陶瓷，特別適合透明氧化鋁陶瓷和微晶剛玉瓷的燒結。此外，由于氧化鋁的燒結過程與陰離子的擴散速率有關，而還原氣氛有利于陰離子空位的增加，可促進燒結的進行。因此，真空燒結、氫氣氛燒結等是實現氧化鋁瓷低溫燒結的有效輔助手段。

在實際的生產工藝中，為獲得最佳綜合經濟效益，上述低燒技術往往相互配合使用，其中加入助燒添加劑的方法相對其它方法而言，具有成本低、效果好、工藝簡便實用的特點。在中鋁瓷、高鋁瓷和剛玉瓷的生產中被廣泛使用。另外，從材料角度來看，通過摻雜改性技術，大幅度提高氧化鋁陶瓷的各項機電性能，用氧化鋁含量低的瓷體代替氧化鋁含量高的瓷體，也是企業常用的降低氧化鋁陶瓷產品燒結溫度的有效技術手段。

(粉體圈 作者：敬之)