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          燒結助劑是啥?它是如何讓氧化鋁陶瓷”降溫”的?

          氧化鋁陶瓷由于其具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性良好等優異的性能,而且原料來源廣泛、價格低廉,在電子、航空、機械、紡織、化工、建筑等領域得到了非常廣泛的應用。然而,由于Al2O3的熔點高達2050℃,氧化鋁陶瓷的燒結溫度也較高,這就需要消耗大量的能源,而且對設備的要求也較高。所以,降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度非常重要。

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          目前降低氧化鋁陶瓷燒結溫度的方法很多,比如降低氧化鋁粉的粒度、采用燒結工藝、添加燒結助劑等。

          由于降低原料粉體粒度需要采用不同的預處理工藝,原料成本高、工藝復雜,而燒結技術往往要消耗能源,同時部分燒結方式難以控制燒結體形狀,在不添加任何助劑的情況下制得的氧化鋁陶瓷性能較差;因此,與其他方法相比,燒結助劑法具有成本低、效果好、工藝簡便的優點,而且通過摻雜改性技術可以大幅提高氧化鋁陶瓷的機電性能,是目前-種低溫燒結方法。

          燒結助劑的作用機理

          燒結是通過加熱使原料粉體產生顆粒粘結、經過物質遷移使粉末體產生強度并導致致密化和再結晶的過程。普通陶瓷粉體之所以難于燒結,原因就在于其晶格能較高、晶體結構穩定,質點擴散需要較高的活性,即燒結激活能大,因此需要較高的溫度。

          為了達到促進燒結的目的,一方面可考慮活化晶格,降低中國粉體網,編輯整理燒結激活能,主要通過摻雜破壞穩定的晶格結構使得晶體Cnpowder. cam. .cn.中產生缺陷或者引起晶格畸變來實現;另一方面可考慮加速擴散過程,主要通過在體系中產生液相,液相通過表面張力作用產生顆粒粘結并填充氣孔,同時利用“溶解-沉淀”機理,通過液相傳質作用使溶解的小晶粒逐漸在大晶粒表面沉積,達到促進燒結的效果。

          常用燒結助劑體系

          在實際生產中,單一助劑往往不能同時滿足其燒結和機電性能的要求,一般情況下單一助劑在降低燒結溫度的同時會導致陶瓷性能的降低,因此,采用多種不同助劑組成的復合添加劑要比單獨使用其中一種助劑更為常見。

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          CaO-MgO-SiO2體系

          采用這一體系的燒結助劑,可在1500~1550℃左右合成氧化鋁基陶瓷。MgO對氧化鋁陶瓷的細晶顯微結構起了重要作用,MgO在燒結中能維持CaO/SiO2比,即維持燒結系統中的液相量,并有尖晶石、鎂鋁硅酸鹽、鋁硅酸鹽、鋁酸鹽等多種第二相晶體生成,對晶界移動具有釘扎作用;同時引入了少量的La2O3、Sm2O3等稀土氧化物,使Al2O3陶瓷的燒結溫度下降大約30℃,其表面顯微結構也有所改善,這主要是由于La2O3和Sm2O3為網絡變性離子,能夠分解熔體網絡而促進燒結。

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          MnO2-TiO2-MgO體系

          通過加入MnO2-TiO2-MgO復相添加劑,在1300℃下可以獲得相對密度為95%的氧化鋁陶瓷,其中MnO2可以促進燒結,而MgO起到了顯微結構穩定劑的作用,在MnO2和MgO含量一定的情況下,加入少量TiO2可使氧化鋁燒結獲得良好的力學性能,再加入過量的TiO2反而使強度降低。

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          CuO-TiO2體系

          這一體系助劑具有良好的低溫燒結特性。經研究發現,當摻入CuO-TiO2時,添加劑系統以形成液相的形式促進氧化鋁燒結,添加劑含量的增加有助于氧化鋁陶瓷的致密化,當CuO∶TiO2為1∶2、添加量為2wt%的時侯,在1300℃就能在無壓燒結情況下達到99%的相對密度,并通過燒結動力學研究得到氧化鋁樣品的激活能為25.2kJ/mol,表明可能是鋁離子和氧離子的擴散過程控制了氧化鋁陶瓷的燒結。在此添加劑中繼續摻入SiO2后,在1400℃時生成了各向異性晶粒,可以改善其斷裂韌性。

          總結

          近年來學者們針對燒結助劑的研究已經做了大量工作,在滿足低溫燒成Al2O3陶瓷的同時,也在不斷提高其機械性能和電性能。但目前的研究成果大部分主要還集中在實驗室階段,與實際生產聯系得不夠緊密。降低復合燒結助劑的制造成本,不同成形工藝對燒結助劑的不同要求,低熔點燒結助劑氧化物之間的作用機理,燒結助劑在不同溫度段的基礎理論等方面還有待進一步研究。

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