超低鈉小原晶α氧化鋁的陶瓷燒結性能研究

＊秦念勇 齊波 馮曉明

（中鋁山東有限公司 山東 255051）

1.前言

氧化鋁陶瓷廣泛應用于機械、冶金、化工、能源、環(huán)保、航天航空、電子、半導體及國防軍工等領域[1-3]。氧化鋁陶瓷按氧化鋁含量的多少可分為92瓷、95瓷和99瓷等[4]。現(xiàn)今氧化鋁先進陶瓷技術向著精細化、小型化、低溫燒結的方向發(fā)展。以99瓷及99以上瓷為代表的特種結構陶瓷具有可低溫燒結、表面拋光效果佳、成瓷機加工性能和微觀組織結構優(yōu)良、成瓷晶粒細小致密及機械性能高等特點，是當今氧化鋁特種精細陶瓷技術研究的熱點[5-7]。

氧化鋁先進陶瓷技術的發(fā)展需要優(yōu)異的α氧化鋁粉體原料作為重要支撐，粉體特性直接影響陶瓷的成型及燒結工藝，進而影響陶瓷制品的顯微結構和綜合性能[8-9]。制備99氧化鋁陶瓷及99以上氧化鋁陶瓷需要純度高、煅燒活性好、原晶粒度細小、晶粒形貌規(guī)則整齊的α氧化鋁粉體作為原料[10]。

目前國內(nèi)99瓷生產(chǎn)廠家多采用進口低鈉微晶α氧化鋁粉體作為原料，所得產(chǎn)品可以滿足高端應用的不同嚴苛需求。例如，國內(nèi)某廠家以國外M公司低鈉小原晶產(chǎn)品LS-711C為原料（Na2O含量為0.05%，原晶粒度為0.5μm）干壓成型后經(jīng)1600℃燒結所得陶瓷的燒結密度為3.94g/cm3，具有優(yōu)良的燒結性能，受到先進陶瓷應用市場的推崇。國內(nèi)同類產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)起步較晚，一直以來與國外先進水平存在較大差距。作為國內(nèi)α氧化鋁行業(yè)的領軍者，國內(nèi)某公司（S公司）經(jīng)過多年的技術積淀與努力，成功開發(fā)出高燒結活性的超低鈉小原晶α氧化鋁產(chǎn)品，性能接近國外先進水平。

本文以S公司開發(fā)的超低鈉小原晶α氧化鋁為原料，詳細探究了原晶粒度（一次粒子大小）、化學純度、粒度大小和燒結溫度對氧化鋁陶瓷燒結性能的影響。

2.實驗原料和方法

(1)實驗原料

本文所用原料包括S公司的超低鈉小原晶α氧化鋁（編號AO-1，如圖1所示）和其它四種不同化學純度、不同原晶粒度的小原晶產(chǎn)品（編號AO-2～AO-5）。表1列出了所用粉體的理化指標。

圖1 AO-1超低鈉小原晶α氧化鋁的SEM照片

表1 不同超低鈉小原晶α氧化鋁粉體的理化指標

(2)試驗方法

將待測小原晶α氧化鋁樣品，用砂磨機濕磨處理，料漿110℃烘干，烘干微粉摻加適量比例的粘結劑、脫模劑，經(jīng)均化、篩分、陳化、壓制成型，成型壓力60MPa，壓實試塊為φ30mm的圓柱體，經(jīng)高溫陶瓷燒結，制備陶瓷試塊。

陶瓷試塊制備的工藝技術特點為低成型壓力、快速提溫燒結，以提高陶瓷試塊的燒結敏感性。陶瓷燒結制度工藝如圖2所示。

圖2 陶瓷燒結制度工藝圖

(3)性能測試及表征方法

采用掃描電鏡測定小原晶α氧化鋁的原晶粒度，X射線衍射儀測定α相含量，馬爾文激光粒度儀測定粉磨處理后的小原晶α氧化鋁的粒度分布，使用游標卡尺測量樣品燒結前后的尺寸，計算燒結線收縮率；使用靜水力學天平測量燒結前后陶瓷試樣的質(zhì)量，計算體積密度。

3.結果與分析

(1)原晶粒度對陶瓷燒結性能的影響

分別對比了Na2O含量為0.02%，原晶粒度為0.2～0.5μm、0.6～0.8μm，以及Na2O含量為0.05%，原晶粒度為0.2～0.5μm、0.6～0.8μm的產(chǎn)品，探討原晶粒度對陶瓷燒結性能的影響。不同樣品按照相同的陶瓷試塊制備工藝備樣，測定1600℃煅燒后的陶瓷燒結性能，結果如表2所示。

表2 不同原晶粒度的低鈉小原晶α氧化鋁的陶瓷燒結性能

表2結果表明低鈉小原晶α氧化鋁原晶粒度對陶瓷燒結性能有著較為顯著的影響。原晶越小，坯體的壓實密度越小，燒結密度越大，收縮率越大。這是由于隨著原晶的減小，它的表面積增大，相同壓力下氧化鋁陶瓷粉體堆積密度減小，導致坯體的壓實密度越小；陶瓷燒結致密化的推動力是顆粒的表面能，原晶越小，表面能越大，顆粒緊密接觸，可較大程度縮短高溫下質(zhì)點的遷移距離，加快質(zhì)點的擴散，增加質(zhì)點相對移動和相互結合的能力，燒結后陶瓷更致密，相應的收縮率越大[11]。原晶粒度0.2～0.5μm的小原晶產(chǎn)品具有優(yōu)良的陶瓷燒結活性。

(2)化學純度對陶瓷燒結性能的影響

分別對比了三種原晶粒度相近（皆為0.2 ～0.5μm），化學純度不同（Na2O含量分別為0.02%、0.05%、0.10%）的小原晶α氧化鋁，經(jīng)過相同的陶瓷試樣制備工藝處理，測試了它們1600℃煅燒后的陶瓷燒結性能，結果如表3所示。

表3 不同化學純度的低鈉小原晶α氧化鋁的陶瓷燒結性能

從表3的結果可以看出，不同Na2O含量對陶瓷的壓實密度基本沒有影響，但對燒結密度影響較大。隨著小原晶α氧化鋁Na2O含量的上升，陶瓷燒結密度逐漸下降，燒結線收縮率也下降，尤其是Na2O含量為0.1%的樣品，下降趨勢更為明顯。這是由于高溫下Na2O和Al2O3的結合能力很強，1個Na2O和11個Al2O3結合生成Na2O·11Al2O3，俗稱β氧化鋁，即使存在少量Na2O，也會形成大量β氧化鋁，其結構為松散的層狀結構，從而影響氧化鋁陶瓷的致密性[12]。對于用作先進陶瓷原料的小原晶α氧化鋁，Na2O含量越低越好。

(3)粉體粒度分布對陶瓷燒結性能的影響

以S公司的超低鈉小原晶α氧化鋁，統(tǒng)一砂磨處理條件，控制不同砂磨時間，得到不同粒度大小及分布的微粉樣品，經(jīng)過相同的陶瓷試樣制備工藝處理，測試了它們1600℃煅燒后的陶瓷燒結性能，結果如表4所示。

表4 不同粒度分布的低鈉小原晶α氧化鋁的陶瓷燒結性能

從表4的結果看，超低鈉小原晶α氧化鋁粉體粒度分布對它的陶瓷燒結性能有顯著的影響。粉體粒度越細，它的壓實密度越小，陶瓷燒結密度更高，相應的燒結收縮率更大。當超低鈉小原晶α氧化鋁被粉磨加工到接近其原晶粒度大小時，燒結密度達到理論燒結密度（3.984g/cm3）的99.5%以上。超低鈉小原晶α氧化鋁原粉顆粒由若干個一次粒子附聚而成，經(jīng)過超細粉磨處理后的粉體由硬團聚體及軟團聚體組成。軟團聚體是高表面能一次粒子的假性團聚體，在壓制成型過程中輕易被打開；硬團聚體是尚未完全打開的一次粒子附聚體，壓制成型時被殘留在坯體中。陶瓷燒結時由于硬團聚體的存在降低了燒結活性，最終無法得到高的燒結密度[13]。因而，超低鈉小原晶粉體在用作99瓷原料時，盡可能充分超細粉磨至原晶粒度，并且粒度分布要均勻集中。

(4)燒結溫度對陶瓷燒結性能的影響

將S公司的超低鈉小原晶α氧化鋁，砂磨處理至粉體粒度（D50）為1.099μm，經(jīng)過陶瓷試樣制備，以相同燒成制度分別在1540℃、1580℃、1600℃、1620℃、1650℃下燒結成瓷，測定超低鈉小原晶α氧化鋁適宜的陶瓷燒成溫度，結果如表5所示。

表5 不同燒結溫度下的陶瓷燒結性能

從表5結果看，當陶瓷燒結溫度達到1540℃時，燒結密度達到理論燒結密度的97.8%，呈現(xiàn)出較為優(yōu)良的陶瓷燒結活性；當煅燒溫度達到1600～1620℃時，燒結密度達到理論燒結密度的99.5%以上；繼續(xù)升高至1650℃，燒結密度反而降低。這是由于隨著燒結溫度升高，晶界遷移和晶界擴散速率加快，當達到適宜陶瓷燒結溫度時，晶界遷移與擴散速率達到最大，此時陶瓷坯體致密化程度最高；繼續(xù)升溫，晶界擴散緩慢，導致晶粒發(fā)生異常長大，陶瓷致密性反而降低[14]。超低鈉小原晶粉體在用作99瓷原料時，可以實現(xiàn)1600～1620℃的低溫陶瓷燒結，大大降低了陶瓷燒結成本。

4.結論

超低鈉小原晶α氧化鋁粉體原晶粒度、Na2O含量、粉體粒度分布、燒結溫度等因素對陶瓷燒結性能影響較大。原晶粒度越小、Na2O含量越低、粉體粒度越細，氧化鋁陶瓷越致密，陶瓷燒結性能越佳。

國內(nèi)某公司的超低鈉小原晶α氧化鋁，Na2O含量為0.02%，原晶粒度0.2～0.5μm，當粉體超細粉磨至接近原晶粒度時，在1600～1620℃下可以實現(xiàn)陶瓷燒結，燒結密度達到理論燒結密度的99.5%以上，具有優(yōu)良的陶瓷燒結活性。