氧化鋁陶瓷各種制備工藝的優缺點

1931年，德國SiemensHalske公司最早將氧化鋁陶瓷應用于火花塞材料，并獲得了專利。隨著電子工業的發展和技術進步，日本于1942年將氧化鋁陶瓷用在了軍需用的航空飛機的火花塞上。后來，氧化鋁陶瓷逐步被應用于真空電子器件，用來制備高壓鈉燈管、集成電路基板等高科技產品。氧化鋁陶瓷是一種以α-Al2O3主晶相的陶瓷材料，其α-Al2O3含量一般為75%～99.9%。根據其中氧化鋁含量的不同分為99瓷、95瓷、85瓷和75瓷等。含量在99%左右的為99瓷，含量在95%左右的為95瓷，以此類推。由于它熔點高、硬度大、絕緣電阻大、化學穩定性好，被廣泛應用于耐磨材料、高溫結構材料、電絕緣材料和耐化學腐蝕材料等。因此，新型的制作工藝越來越受到科技工作者的重視。

1氧化鋁陶瓷制備工藝

1.1氧化鋁陶瓷的成型工藝

氧化鋁陶瓷成型的方法有很多種，常見的成型方法主要有干壓成型、擠壓成型、注射成型、流延成型與熱等靜壓成型等，近些年來也開發出不少新的成型工藝，如壓濾成型、固體自由成型、凝膠注成型等。

1.1.1干壓成型

干壓成型是一種比較成熟的工藝，這種成型方法是利用外力作用，增大內摩擦力，使顆粒之間由于內摩擦力的作用而產生聯結，維持一定形狀的一種成型方法。干壓成型的優點是工藝相對比較簡單，操作起來比其他方法更加容易。

1.1.2凝膠注模成型

20世紀末，研究人員已經開發出了基于注射成型的新型成型工藝，即注模成型。這種成型方法的成型周期比其他方法短，在脫模時，不易發生變形開裂，有機載體添加的量比以前降低，僅僅占到坯體總質量的2/100～4/100，而且這種成型方法對脫脂十分有利。RuipingLiu等人通過對氧化鋁陶瓷的凝膠注模成型觀察得出結論，即利用凝膠注模法制作的多孔陶瓷，不僅具有較高的孔隙率，而且強度很高。謝志鵬等人研究了添加劑對氧化鋁凝膠流延成型所產生的影響。J.M.Tulliani通過這一方法，制備出孔隙率達到75%的多孔氧化鋁陶瓷。

1.1.3氧化鋁微注射成型工藝

粉末微注射成型技術對所用的粉末顆粒有著一定要求，其平均直徑一般小于1滋m。生產出來的陶瓷部件性能優良。例如，具有較好耐腐蝕性、高強度的陶瓷部件。目前，含氧化鋁的微型陶瓷部件也得到了應用；MengJunhu等人用低壓微注射成型技術生產一種氧化鋁陶瓷材料通道，生產的通道有致密度高的特點；Loebbecke等人研究黏結劑和粒子直徑對流變特性所產生的影響；RuhAndreas用微注射成型法制得氧化鋁陶瓷齒輪；Thomas利用這一成型方法，制備出氧化鋁陶瓷牙托。

1.1.4注凝成型

注凝成型工藝首先要選用高濃度低黏度的漿料進行注模，然后通過加入的引發劑和催化劑，調節溫度使有機單體聚合，以三維網狀的形式形成擁有一定強度的生坯，再經脫模、干燥、排膠處理后燒結，獲得產品。注凝成型的優點是工藝較簡單，成型的素坯均勻性好，強度高且容易加工。而且，這種成型方法對模具沒有太多的要求，成型過程中坯體的收縮較小，適合于制作尺寸較大、形狀復雜的陶瓷件。

1.1.5流延成型

流延法也叫刮刀成型法，在技術上比較新穎，適用于薄片陶瓷材料的制作，利用這個方法成型一般要在陶瓷粉料中添加其他成分，如黏結劑、分散劑、增塑劑等，制作成漿料十分均勻，從而使最后得到的陶瓷片厚度符合制作的要求。流延成型一般分為2種，一種是非水基成型。例如，丁國強等人采用了非水基流延成型工藝生產出了氧化鋁陶瓷基片，而且對非水基流延工藝的參數對基片性能的影響進行了探討。另一種是水基流延成型。付長翼等人采用這種工藝，制備了性能優良的氧化鋁陶瓷基片。

1.2氧化鋁陶瓷的燒結工藝

氧化鋁陶瓷在燒結的過程中需要的溫度非常高，所以對窯爐和窯具的制作材料有很嚴格的要求。高溫發熱體耐火材料的選擇成為一個關鍵的問題。因此，如何把氧化鋁陶瓷的燒結溫度降低，減少其燒結所使用的時間，還有減少窯爐和窯具在燒結過程中的損耗等，降低生產成本，是始終值得關注的課題。

1.2.1熱壓燒結

熱壓燒結即在燒結的同時施加一定的壓力，而在壓力的條件下會使得原子的擴散速率增大，從而提高了燒結驅動力，使得燒結過程所需的時間大大減短。JoRoy等人運用熱壓燒結技術，在10MPa的壓力、1600℃的環境下，進行了10min的燒結，制備出陶瓷材料，它的相對密度高達99%，晶粒尺寸隨著燒結溫度的提高而增大。從中可以看出，燒結溫度對晶粒生長的影響較大，而燒結時間與燒結壓力的影響相對來說就比較小一些。

1.2.2超高壓燒結

超高壓燒結是指在較大的壓力條件下進行燒結，用這種方法燒結不需要用很高的溫度就能夠成功制得高致密、高純度的氧化鋁陶瓷。Liao等人在素坯經800℃的燒結之后，制備的高純氧化鋁陶瓷相對密度達到98.2%，晶粒的平均尺寸只有49nm。這是目前報道中，氧化鋁陶瓷密度一樣大小的前提條件下，燒結溫度的最低點。超高壓作用下能有效地降低燒結溫度，減少能耗，提高氧化鋁陶瓷致密度。

1.2.3高真空燒結

高真空燒結是指在高度真空的狀態下進行燒結的一種燒結技術。王利等人以高純氧化鋁為原材料，所用高純氧化鋁的純度大于99.99%，采用等靜壓成型技術，接著在1500℃的溫度的真空條件下進行燒結，制備的高純氧化鋁陶瓷性能優異，不僅具有很高的抗彎強度，而且晶粒尺寸在2～3μm。Gustavo等人采用了高真空燒結技術制得氧化鋁陶瓷，相對密度大，彎曲強度高。研究得出：運用高真空燒結方法制作高純氧化鋁陶瓷，不僅可以使晶界處雜質減少，而且出現氣孔的概率也會降低。

1.2.4熱等靜壓燒結

熱等靜壓燒結實質上就是一種另類的熱壓燒結工藝。它是在高溫的環境下，把所要燒結的坯體放置在氣體介質之中，這樣坯體會受到來自四面八方的壓力的作用，所制作的陶瓷材料在致密度方面可以得到進一步的提高；熱等靜壓在燒結過程消耗的時間較少，而且在燒結時所需要的溫度相對來說也比較低；在微觀結構上表現得十分均勻，性能十分優異。

1.2.5微波燒結

微波燒結利用微波在電磁場中的損耗對材料進行加熱，直接把材料加熱到燒結溫度，速度快，瓷體致密。微波燒結法的氣熱流方向是自里而流向外的，異于其他的燒結方法，對坯體內的氣體向外逸出這個過程十分有利；與此同時，粒子在微波的作用下，活性有所提高，其遷移容易進行，在燒結過程中，避免了陶瓷晶粒異常長大，制備出來的陶瓷性能令人滿意。

微波燒結技術可以有效地解決尺寸較大、結構復雜的元件在非均勻加熱時裂開的現象。它具有升溫速度快、熱效率高、安全、沒有污染等特點，因此高純氧化鋁大多選用微波燒結法。

1.2.6放電等離子燒結

放電等離子燒結是利用脈沖能、放電脈沖壓力和焦耳熱產生的瞬時高溫場使材料加熱至燒結溫度從而實現燒結的過程。它是通過一剎那間產生的放電等離子的作用之下，讓所要燒結的材料里面各個顆粒都能夠產生發熱的效果，并且這些顆粒的發熱十分均勻，可以在較短的時間內就可以達到致密的效果。王操等人采用放電等離子燒結工藝，采用兩部加壓的方式制備出在波長為64nm時，直線透過率為51%的樣品；采用放電等離子燒結方法獲得的樣品，不僅晶粒細小，而且十分均勻，致密度高，所以放電等離子燒結的前景被很多人看好。

2應用與展望

氧化鋁陶瓷廣泛應用于水龍頭閥芯、金屬陶瓷刀具、化工填料球、陶瓷膜、耐腐蝕涂層等，特別是在生物醫學領域和航空航天領域應用有其獨特的優勢。在生物醫學方面，氧化鋁陶瓷在人造骨頭、關節和牙齒上應用得比較多。體外實驗表明：氧化鋁陶瓷對體外纖維細胞無毒性，因此可以長期存在體內環境。近年來，隨著熱等靜壓成形術和激光蝕刻技術的應用，第三代氧化鋁陶瓷晶粒更加細小，純度和密度相對于以前來說都有所提高，在強度和硬度方面也有十分顯著的提升，并且碎裂率顯著降低；這些特點使得它在全髖關節置換術中發揮重要作用。因為氧化鋁擁有一個特性，就是無論是在高溫下還是在生理液體中都十分穩定，而且將氧化鋁陶瓷應用在全髖關節置換術中，氧化鋁自身的親水性能還可以減少材料的磨損，所以成為全髖關節置換術的優良材料。氧化鋁陶瓷在航天方面也有著許多用途。航天飛機的熱防護系統、導彈頭錐及火箭發動機的墊圈都由氧化鋁陶瓷制成。

隨著科學技術的不斷發展和制造水平的不斷提高，氧化鋁陶瓷行業迅速發展。陶瓷粉體的制備由微米級提高到了納米級水平，納米氧化鋁陶瓷具有燒結溫度低、強度高、韌性高等特點，具有廣泛的應用前景。近年來，研制納米氧化鋁陶瓷已經成為材料科學工作者的主要研究目標之一。