Al2O3陶瓷.ppt

1、Al2O3 陶瓷ALUMINA CERAMICS,Al2O3 roller,（穆道彬等，1999）,合成纳米材料的容器,SiC晶须增强氧化铝钻头,Al203短纤维/Al汽车活塞,SiC/Al，Al203/Al汽车刹车盘，减重60,应用领域,机械方面。耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、衬片，氧化铝陶瓷钉，陶瓷密封件，氧化铝陶瓷切削刀具，氧化铝陶瓷柱塞等。电子、电力方面。各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件等。化工方面。氧化铝陶瓷化工填料球，氧化铝陶瓷微滤膜，氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。医学方面。氧化铝陶瓷人工骨，羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节等

2、。,应用领域,材料生产方面。球磨机用氧化铝陶瓷衬砖、微晶耐磨氧化铝球石，氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料。其他方面。航空航天、珠宝加工、涂料、油漆、化妆品、食品、制药等行业。,Al2O3陶瓷,3.1 Al2O3 的晶型、性质和用途3.2 Al2O3高温结构陶瓷3.3 透明Al2O3陶瓷3.4 Al2O3电介质陶瓷3.5-Al2O3导电陶瓷,-Al2O3：俗称刚玉，三方柱状晶体，晶体结构中氧离子形成六方密堆，铝离子在八面体中心；熔点高，硬度大，耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种型态中最稳定的晶型，也是自然界中唯一存在的氧化铝的晶型；用于制备结构陶瓷、

3、电介质陶瓷。也可用于制备 复合材料的最佳抗氧化晶须。-Al2O3：尖晶石结构，氧原子立方密堆，铝原子填隙；在10501500范围内不可逆地转化为Al2O3。密度小，机电性能差，结构松散，能被酸碱溶解；可用以制备多孔陶瓷材料。,3.1 Al2O3的晶型、性质和用途,Al2O3的晶型、性质和用途,-Al2O3：组成为Na2O11Al2O3或CaO6Al2O3，NaO-层、Al11O12+类尖晶石单元交叠堆积，氧原子立方密堆，Na+包含于C轴的松散堆积平面内，是一种含碱金属(或碱土金属)的铝酸盐。Na-Al2O3 具有层状结构。在空气或氢气中1200便开始分解；Na+能在层间迁移、扩散和离子交换，在

4、层间的方向具有较高的离子导电能力和松弛极化现象；沿C 轴方向很小甚至无离子电导。良好离子导体，用作电池隔膜材料。,Al2O3的晶型,有、及无定型氧化铝等12 种，最为常见的有-Al2O3、-Al2O3 和-Al2O3 3 种。,第三章,3.2 Al2O3高温结构陶瓷,3.2.1 概念和分类3.2.2 性质和用途3.2.3 粉体原料的制备与处理3.2.4 生产工艺3.2.5 氧化铝陶瓷的组成、结构、工艺与性能之间的关系,3.2.1 Al2O3结构陶瓷概念和分类,定义：以-Al2O3为主晶相的结构陶瓷 Al2O3 含量=75.099.9%分类：依据配料中Al2O3含量 75瓷，85瓷，95瓷，99

5、瓷,Al2O3,3.3.2 性质与用途,Al2O3结构陶瓷的性质,Tm=20500C莫氏硬度：9膨胀系数（10-6/，20100）：8.0，与金属接近体积密度v（g/cm3）：3.70抗弯强度（MPa）：385抗张强度（MPa，1000）：245弹性模量（GPa）：300比体积电阻（cm/1000C）：1014化学稳定性良好,结构材料的性能对比（袁鸿昌，1998）,体积密度v（g/cm3）：3.70抗弯强度（MPa）：385抗张强度（MPa，1000）：245弹性模量（GPa）：300,Al2O3结构陶瓷的用途,高强度，高硬度:磨料磨具纺织瓷件刀具等耐高温，化学稳定性:铂坩埚替代品催化剂载体航

6、空及磁流体发电材料密封等,95 氧化铝陶瓷在密封领域的应用,水泵机械密封水暖阀芯气动元件化工设备太阳能热水器,应用研究进展,年资料，美国Aremco公司生产的氧化铝产品已经开始用于制造气体燃烧器的喷嘴，使用温度可高达1650。是一种高度致密、完全烧结的、氧化铝纯度为96%的陶瓷，具有优异的耐磨性能和抗腐蚀性能能以及高的机械强度和电绝缘性能，可在1650 的温度下连续使用，抗高浓度的硫酸腐蚀。,Al2O3,3.2.3 Al2O3陶瓷粉体原料的制备和处理,1）制备Al2O3粉的原料：铝矾土（三水铝石）Al2O3 3H2O 硬水铝石 Al2O3 H2O or-AlO(OH)一水软铝石-AlO(OH)

7、2）生产方法(拜尔法)：用NaOH溶液处理铝矿石，得铝酸钠溶液：Al2O3(13)H2O+2 NaOH 2 NaAl(OH)4 过滤除去不溶性渣：2 NaAl(OH)4+H2O 2 NaOH+Al(OH)3 过滤、干燥、煅烧后成Al2O3，粒度115m,Al2O3陶瓷粉体的制备,3）Al2O3超细粉的制备：a 硫酸铝铵热分解法：1)液相中合成硫酸铝铵(NH4)SO4+Al2(SO4)2(NH4)SO4Al2(SO4)324H2O 2)多次重结晶提高纯度 3)热解法/溶液喷雾热解法-Al2O3细粉 纯度99.99%，粒度69nm(NH4)SO4Al2(SO4)324H2O2NH3+3SO3+Al

8、2O3 4)高温灼烧-Al2O3-Al2O3 条件：T=1200，粒度160200nm 5)缺点：污染严重,b 热解碳酸铝铵：3(NH4)2CO3 Al2(CO3)3 nH2O 粉体粒度0.40.5m，纯度99.99%污染较轻，制备技术要求高 c 硝酸铝+碳酸铵复分解法：2Al(NO3)3+3(NH4)2CO3 2Al(OH)3+6NH4NO3+3CO2 控制：溶液pH=5.0，T=3010C 搅拌速度810r/min，反应t=15min,d sol-gel法：1)以异丙醇铝Al(OC3H7)3、甲苯、蒸馏水等为原料配制胶体溶液，得到sol 2)sol gel 3)真空干燥，研磨 4)煅烧：4

9、00-Al2O3 1200 粒径长大 40nm，接近球形-Al2O3呈团聚状态，粒度200nm,e 气相沉积法(1)：惰性气体中，金属Al减压蒸发(等离子体)气相Al原子 聚集成超细粒子 收集于冷凝器中 氧化为陶瓷微粉 气相沉积法(2)：320-4500C 醇铝Al(OR)3蒸汽热分解 Al2O3超细粉,Al2O3粉体的预烧,预烧目的：-Al2O3-Al2O3 减少烧成收缩（14.3%)排除原料中的Na2O，提高纯度,Al2O3粉体原料预烧,预烧质量的影响因素：添加剂：H3BO3 NH4F AlF3 0.33.0%无添加剂：T=1600 H3BO3，T=1400-1450，t=2-3h Na2

10、O+2H3BO3=Na2B2O4+3H2O NH4F，T=1250，t=1-2h 预烧温度：过低 不能完全转变为-Al2O3，电性能降低 过高 粉料烧结，不易粉碎，活性降低,Al2O3预烧,预烧气氛：物料 气氛 Na2O(%)T()工业Al2O3 0.3-预烧Al2O3 氧化 0.2 1450 预烧Al2O3 还原 0.05 1450 预烧Al2O3 还原 0 15001550 预烧Al2O3 氧化 0.05 14001450(+1%H3BO3),3.2.4 Al2O3结构陶瓷的生产工艺流程,原料煅烧 磨料 配料与混料 塑化 成型 干燥 修坯 烧结 表面处理性能检测,Al2O3陶瓷的生产工艺磨

11、细,球磨：湿磨效率较高；干磨外加油酸等外加剂1-3%，以防粘结，提高效率。刚玉瓷的要求：小于1微米的颗粒15-30%；大于4微米的颗粒含量控制在10%以内。,Al2O3陶瓷的生产工艺配料与混料,辅料的种类及其加入的目的：目的：(1)降低烧成温度；(2)促进烧结辅料的种类：1)变价氧化物 TiO2 Cr2O3 Fe2O3 等 晶格常数与Al2O3相近，生成固溶体 变价使Al2O3产生缺陷，活化晶格，促进烧结 加入0.5-1.0%TiO2，降低烧成温度150-2002)高岭土 SiO2 CaO MgO等 生成液相，降低烧成温度，促进烧结 与其他外加剂生成二元、三元或更复杂的低共溶物,Al2O3陶瓷

12、的生产工艺,造粒/塑化 成型注浆成型(Slip Casting)模压成型(Stamping Process)热压铸成型(Hot Pressing Casting)干燥,Al2O3陶瓷的生产工艺烧结,烧成制度，气氛，烧结方法等：1)烧成制度 T 相对密度 晶粒大小 1530 相对密度=99%0.2-4m 1445 相对密度=99.3%1-1.5m（升温速率10/min)图5.16 刚玉瓷的两种烧成制度 p145,2)烧成气氛 Po2 愈低愈有利于烧结有利于烧结的顺序：（好）Ar H2 NH3 O2 N2 空气（坏）对于晶粒长大的作用顺序：(小)Ar 空气 N2 O2 H2 NH3（大）氨气和氢气

13、会加速氧化铝的重结晶作用，不利于烧结。3)烧结方法 为使Al2O3瓷完全烧结热压烧结 1000，制品接近理论密度 否则，即使在1800，也很难完全烧结,氧化铝陶瓷的低温烧结工艺,液相烧结热等静压烧结法微波加热烧结法热压烧结微波等离子体烧结放电等离子烧结,3.2.5 氧化铝陶瓷的组成、结构、工艺与性能之间的关系,影响氧化铝陶瓷性能的因素,粉体原料（主料和辅料）的化学组成与含量、形状、大小、结合关系、晶体结构类型与含量；（粉体制备技术）制备陶瓷的工艺制度和工艺设备；成型制度烧结制度冷加工技术陶瓷制品的显微形貌、物相等。,氧化铝含量与陶瓷性能,Al2O3 含量（%）：75.0 99.5%体积密度v（

14、g/cm3）：3.20 3.70抗弯强度（N/m2）：1.96108 2.74108 比体积电阻（cm/100）：1012 1014,图 氧化铝陶瓷的SEM 照片（郭景坤等，2000）Fig.SEM backscattered image micrographs of Al2O3 sintered,辅料（CaCO3，Al2O3，SiO2）与陶瓷的显微形貌,添加0.1%CAS,粉体粒度和添加剂（CaO-MgO-SiO2）对氧化铝陶瓷致密度的影响（郭景坤等，2001）,粉体的形状与陶瓷的性能,0 433.75 2.87 0.70 0.20 3.44 1 505.24 4.30 0.50 0.11

15、3.450号样品：未引入板状氧化铝1号样品：引入一定量的板状氧化铝板状氧化铝粉体的引入利于改善陶瓷性能（申毅等，2001）,成型方式对性能的影响（肖汉宁等，2004）,陶瓷的显微形貌与性能-长柱状晶高韧性氧化铝陶瓷（黄勇等，2001）,在1500时,氧化铝瓷体的断裂韧性平均值达到最高为6.3M Pam 1/2，断裂韧性比一般氧化铝陶瓷材料提高了一倍以上。抗弯强度平均值为622.8M Pa。（通常氧化铝陶瓷的抗弯强度为385MPa。）,烧结气氛对95氧化铝陶瓷性能的影响（顾峰等，2000）,烧结气氛对95氧化铝陶瓷性能的影响（顾峰等，2000）,3.3 透明Al2O3陶瓷,1.概述 透明陶瓷特性

16、：耐高温 耐腐蚀 高绝缘 高强度 透明 一般陶瓷 气孔、杂质、晶界、结构 对光反射损失+吸收损失 光学不透明,2.透光模型 表面反射光 入射光 陶瓷材料 透射光 内部吸收光+散射光 晶体本身+杂质 外表+内散射中心 杂质+微气孔+晶粒直径 散射量最大 入射光波长=晶粒直径,3.陶瓷透光的基本条件 1)致密度理论密度的99.5%2)晶界无空隙 或 空隙大小入射光波长 3)晶界无杂质及玻璃相，或其与微晶体的光学性质相似 4)晶粒较小且均匀，其中无空隙 5)晶体对入射光的选择吸收很小 6)晶体无光学异向性(立方晶系)7)表面光洁,4.工艺原理（1）控制以体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程 晶粒过快生长

17、晶界裂缝，封闭气孔 晶粒生长速度 气孔移动速度 包裹于晶体内的气孔更不易排出 加入适量MgO(0.1-0.5%)透明Al2O3陶瓷 1)MgAl2O4 晶界析出，阻止晶界过快迁移 2)MgO较易挥发，防止形成封闭气孔 限制晶粒过快生长微晶结构透明Al2O3陶瓷,4.工艺原理（2）控制气孔平均尺寸 烧结透明Al2O3陶瓷：晶粒25m，大小均匀 气孔半径0.5-1.0m 气孔率0.1%热压烧结Al2O3陶瓷：晶粒1-2m，大小不均 气孔半径0.1m 对可见光散射效应强 在可见光区透光率：烧结瓷 热压瓷（3）其他因素：原料纯度、细度，成型方法，烧结气氛等 氢气或真空中烧结，透光率高,5.工艺方法1）

18、配料 主料：高纯Al2O3(99.9%)硫酸铝铵热解法 Al2(NH4)2(SO4)424H2O 200 Al2(SO4)3(NH4)2SO4H2O+23 H2O500600 Al2(SO4)3+2NH3+SO3+2 H2O800900-Al2O3+3 SO31300/1.01.5h-Al2O3(少量-Al2O3提高活性，促进烧结)改性料：MgO 以Mg(NO3)2加入，共同热分解 分布均匀，活性较大的MgO,5.工艺方法2）成型和烧结：a)常温注浆或等静压成型，高温烧结 浆料pH=3.5，流动性较好 坯体理论密度 理论密度的85%氢气或真空下烧结，T=1700-1900 b)二次烧结法 将含

19、有MgO（0.5%）的 Al2O3粉成型 1000-1700 氧化气氛，t=1.0h 氢气或真空下烧结，T=1700-1950 c)热等静压烧结,透明氧化铝陶瓷的性能和用途,对可见光和红外光有良好的透过性，总透光率达90%以上，用作红外检测窗材料和钠光灯管材料。高温强度大，抗弯强度可达350MPa。耐热性好，使用温度可达1700以上。耐腐蚀性强，耐强碱和氢氟酸的侵蚀，可以用作融制玻璃坩埚，部分替代铂金坩埚等。,3.4 Al2O3电介质陶瓷,电绝缘陶瓷种类,氧化物体系：氧化铝，氧化镁，氧化铍，刚玉瓷，刚玉-莫来石瓷，莫来石瓷，钡长石瓷，镁橄榄石瓷，块滑石瓷，尖晶石瓷，堇青石瓷，硅灰石瓷，锆英石瓷

20、多元氧化物体系：Al2O3-SiO2体系 CaO-Al2O3-SiO2体系 MgO-Al2O3-SiO2体系 BaO-Al2O3-SiO2体系ZrO-Al2O3-SiO2体系单晶电绝缘陶瓷：合成云母，尖晶石，氧化铍，石英等(M-A-S系)，(B-A-S系)氮化物体系：氮化硅，氮化硼，氮化铝,电绝缘陶瓷的性能要求,1）高体积电阻率（r 1012m），高介电强度（104kV/m）：减少漏导损耗，承受较高电压；2）介电常数小（通常 9）：减小不必要的分布电容值，减小介电损耗；3）高频电场下介电损耗小（tg=210-4-910-3)：减小材料发热，提高稳定性，避免性能衰减；4）机械强度高：要求抗弯强度

21、45-300MPa，抗压强度400-2000MPa；5）化学稳定性良好：耐风化，耐腐蚀，不致性能老化；6）耐机械冲击和热冲击：热膨胀系数小，热导率高。,BaO-Al2O3-SiO2体系陶瓷,刚玉瓷 机电性能优异，导热系数小，高频损耗小，耐腐蚀性能良好，烧结温度高（约1800）用途：普通瓷用于一般用途和耐热金属表面喷涂；96瓷用于厚膜电路基片等；99.5瓷用于薄膜电路基片和其它特殊用途。刚玉-莫来石瓷莫来石瓷钡长石瓷,氧化铝绝缘陶瓷的性质,Al2O3电绝缘陶瓷的用途,真空器件装置瓷厚膜和薄膜电路基板可控硅和固体电路外壳火花塞绝缘体集成电路基片高频绝缘材料等,95%氧化铝陶瓷性能检测与评估文献,曾

22、桂生，2003年，真空电子技术，(北京真空电子技术研究所）,3.5-Al2O3导电陶瓷,导电陶瓷,定义：在一定条件（温度、压力等）下具有电子（或空穴）电导或离子电导的陶瓷。材料：氧化物或碳化物半导体：电子或空穴电导ZrO2，-Al2O3，铬酸镧：离子电导用途：陶瓷高温发热体、钠硫电池等,-Al2O3导电陶瓷,导电机理与性质生产工艺需要解决的问题应用,Na-Al2O3导电陶瓷的物理性质,-Al2O3,组成为Na2O11Al2O3或CaO6Al2O3，NaO-层、Al11O12+类尖晶石单元交叠堆积，氧原子立方密堆，Na+包含于C轴的松散堆积平面内，是一种含碱金属(或碱土金属)的铝酸盐。在空气或氢气中1200便开始分解，超过1650则剧烈挥发；Na-Al2O3 具有层状结构，Na+能在层间迁移、扩散和离子交换，在层间的方向具有较高的离子导电能力和松弛极化现象；而在平行于C 轴的方向上Na+不能扩散，沿C 轴方向很小甚至无离子电导。介质损耗大，电绝缘性能差。良好离子导体，用作电池隔膜材料。,Na-Al2O3导电陶瓷的用途,可以用来制作钠硫电池和钠溴电池的隔膜材料，用于电子手表、电子照相机、听诊器和心脏起搏器等。,