納米氧化鋁陶瓷低溫燒結(jié)等性能的研究

《納米陶瓷材料應(yīng)用技術(shù)》  2013年05月第08期      王航

由于氧化鋁陶瓷坯體熔點高，燒結(jié)溫度高達1800℃，較難燒結(jié)，大大消耗了能源，因此，實現(xiàn)氧化鋁快速低溫燒結(jié)是降低氧化鋁陶瓷能耗和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。一般情況下，加入某種添加劑，則可以改善燒結(jié)性能，促進燒結(jié)。

預(yù)燒氧化鋁結(jié)構(gòu)陶瓷時，通常要加入適量的添加物，如硼酸鹽，氟化物、高純納米Al2O3（VK-L30）等，這些添加物可以降低預(yù)燒溫度、促進晶型轉(zhuǎn)化、排除Na2O等雜質(zhì)。硼酸鹽除堿效果好，但是耐高溫性能、絕緣性能、機械強度下降；氟化物可促進晶型轉(zhuǎn)變，且收縮大、活性好，由于是外來雜質(zhì)，引入雜質(zhì)離子，降低了陶瓷質(zhì)量；高純納米氧化鋁（VK-L30）降低燒結(jié)溫度、白度好、純度高、抗摔性強。

結(jié)構(gòu)陶瓷件中，對高純納米Al2O3的要求也很高，以醇鹽法生產(chǎn)的高純納米Al2O3（VK-L30）效果最佳，其中純度4N-5N，粒度小于50nm，比表10-20。

氧化鋁陶瓷的燒結(jié)是通過表面張力來使物質(zhì)遷移而得到實現(xiàn)。高溫氧化物較難燒結(jié)， 主要是它們有較大的晶格能和較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。質(zhì)點遷移需要較高的活化能， 即活性較低。采用純度高，粒徑小， 比表面積大， 表面活性高的單分散超細Al2O3粉料， 由于顆粒間擴算距離短， 只需要較低的燒結(jié)溫度和燒結(jié)活化能。可通過換算知， 如果氧化鋁尺寸能降低到30nm 以下， 則燒結(jié)溫度能降低到1000 度以下。另外， 氧化鋁顆粒粒度的分布范圍要盡可能的窄， 顆粒均勻，如果極細的顆粒中間夾雜著個別大顆粒， 燒結(jié)得到的產(chǎn)品性能很差。

案例一：廣東某陶瓷廠，燒結(jié)氧化鋁陶瓷過程中，能耗高一直非常頭疼，用普通的氧化鋁一直不能降低燒結(jié)溫度和降低能耗。加入1-5%的高純納米氧化鋁（VK-L30） ，可以使Al2O3瓷的燒結(jié)溫度降低50-150℃，增加韌性、白度、純度，不易碎瓷，并且大大節(jié)約能源，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

從下圖的實驗對比可以看出，添加高純納米氧化鋁（VK-L30）5%后，收縮率達到19%，對氧化鋁陶瓷的燒結(jié)有較好的的作用，促進氧化鋁陶瓷的致密化。

案例二：江蘇某精細陶瓷廠，一直做高質(zhì)量結(jié)構(gòu)陶瓷對原料篩選極其嚴格，試用了國內(nèi)外各種氧化鋁粉，只有納米氧化鋁（VK-L30）符合要求。納米氧化鋁（VK-L30）呈球形，顆粒間團聚度小，能顯著促進氧化鋁陶瓷的燒結(jié)，有利于改善氧化鋁陶瓷的成型工藝，降低原料成本和燒成溫度。

圖為 膽堿水解法做的氧化鋁電鏡圖

圖為 硫酸鋁銨熱解法做的氧化鋁電鏡圖

圖為醇鹽法做的納米氧化鋁（VK-L30）電鏡圖

從以上圖中可以看出，醇鹽法做的納米氧化鋁（VK-L30）粒徑細，均勻分布，呈球形，顆粒間團聚小、易分散，具有很好的燒結(jié)活性。

案例三：山東某精細瓷件廠做出來的氧化鋁陶瓷的機械強度不好，后來經(jīng)過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3純度越高，強度愈高。添加了納米氧化鋁（VK-L30）做出來的陶瓷件強度在高溫下可維持到900℃。并且使用納米氧化鋁（VK-L30）后陶瓷件的白度好、純度高、抗摔性強。

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