特种陶瓷第一讲 氧化铝陶瓷.ppt

1,特种陶瓷,2,特种陶瓷,主要参考文献：1.毕见强.特种陶瓷工艺与性能.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2008.2.李世普特种陶瓷工艺学武汉：武汉理工大学出版社，2003.3.刘维良先进陶瓷工艺学武汉：武汉理工大学出版社，2004.4.肖汉宁等编著高性能结构陶瓷及其应用北京：化学工业出版社,2006.5.张玉军等编著结构陶瓷材料及其应用北京：化学工业出版社,2005.6.樊新民等编著工程陶瓷及其应用北京：机械工业出版社,2006.,3,绪 论,一、特种陶瓷的概念二、特种陶瓷的分类三、特种陶瓷的特性与应用四、特种陶瓷与传统陶瓷的区别五、国外特种陶瓷研究动向六、国内特种陶瓷发展现状七、国内外主要差距八、特种陶瓷产品的发展趋势,4,一、特种陶瓷的概念 特种陶瓷是有别于日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷等传统陶瓷的一类新型陶瓷的总称。它主要是指以高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用现代材料工艺制备的、具有独特和优异性能的陶瓷材料。特种陶瓷属新材料领域，是国家“十一五”发展规划中重点发展的项目。在国家高技术研究计划（863计划）和国家重点新产品推广计划中都有不少特种陶瓷的项目和产品。,关于特种陶瓷的定义，可作如下定义：采用高度精选过的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。,5,世界各国以及国内人士对特种陶瓷的称谓不一，说法众多：英国人认为“技术陶瓷（technology ceramics）较为适当”；美国人常称作“高级陶瓷或近代陶瓷（advanced ceramics）”、“高效陶瓷”（high performance ceramics）；日本人则常以“精细陶瓷”（fine ceramics）或“新型陶瓷”（new ceramics）命之。我国虽然有人将其称作“工业陶瓷”（industrial ceramics）,但仍以称“特种陶瓷（special ceramics）”者居多。,6,二、特种陶瓷的分类,按特性分：结构陶瓷：主要利用陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学性质稳定等特点。功能陶瓷：利用某些陶瓷材料所具有的特殊电、磁、热、光、生物等性能。陶瓷基复合材料：通过材料设计的方法来改善单组份陶瓷的性能或取得多组份材料性能互补的优势，扩大其应用范围。,7,按材质分：氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化锌碳化物陶瓷：碳化硅、碳化钛、碳化钨氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼硼化物陶瓷：二硼化钛、二硼化锆硅化物陶瓷：二硅化钼,8,按用途分：电子陶瓷：陶瓷电容、电阻、电感、基板、封装用陶瓷，超导陶瓷、绝缘陶瓷热陶瓷：发热陶瓷、导热陶瓷、隔热陶瓷耐磨陶瓷：陶瓷轴承、密封件、研磨体、内衬光陶瓷：透明陶瓷、光导纤维、激光陶瓷敏感陶瓷：热敏、压敏、气敏、光敏陶瓷核陶瓷：核燃料（氧化铀）、核保护（含硼陶瓷）化学陶瓷：耐酸陶瓷、耐碱陶瓷、过滤、催化用陶瓷,9,1、结构陶瓷,高温结构陶瓷：发动机用陶瓷、高级耐火材料、喷嘴、陶瓷换热器高硬耐磨陶瓷：陶瓷刀具、磨料磨具、陶瓷密封件、陶瓷轴承、研磨体生物结构陶瓷：人工齿、人工骨,10,11,2、功能陶瓷,电子陶瓷：陶瓷电容器、压电陶瓷、铁电陶瓷、电介质陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷磁性陶瓷：铁氧体、磁记录材料、磁泡材料、永磁材料光学(电)陶瓷：红外窗口材料、光敏陶瓷、光电陶瓷、光导纤维,12,陶瓷传感器：热敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、气敏陶瓷、光敏陶瓷能源陶瓷：核反应堆用陶瓷、太阳能材料、红外辐射陶瓷、隔热保温材料化学陶瓷：催化剂载体、分子筛、耐酸陶瓷生物陶瓷：生物活性陶瓷、人工心脏,13,多层电子封装,14,电子陶瓷片式器件（电容、电感、电阻）,15,3、陶瓷基复合材料,颗粒弥散强化：SiCp/Si3N4,ZrO2p/Al2O3晶须强化：SiCw/Al2O3纤维强化：Cf/SiC,Cf/C复合材料应用：陶瓷刀具，发动机零部件，飞机刹车片，火箭喷管，航天飞机烧蚀材料,16,火箭喷管,C/C刹车盘,17,表1 结构陶瓷的分类,18,表2 功能陶瓷的分类,19,20,21,三、特种陶瓷的特性与应用 特种陶瓷，由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强、高硬、耐温、耐腐、绝缘、导电和各种电、磁、光及生物相容性等，陶瓷材料的这些性能，可以广泛用于机械、电子、宇航、医学工程等各个方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。特种陶瓷的主要特性和应用见表3。,22,表3 特种陶瓷的特性与应用,23,24,25,四、特种陶瓷与传统陶瓷的区别,1、原料在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，代之以“高度精选的原料”。2、成分在成分上，传统陶瓷的组成主要由粘土的组成决定，所以不同产地的陶瓷有不同的质地。特种陶瓷的原料一般是纯化合物，因此其成分由人工配比而非由原料产地决定。,26,3、制备工艺传统陶瓷：以窑炉为主要生产手段。特种陶瓷：广泛采用诸如真空烧结，保护气氛烧结，热压、热等静压等先进手段。4、性能与传统陶瓷相比，特种陶瓷具有不同的特殊性能，如高强度、高硬度、耐酸蚀以及在磁、电、光、声、生物工程等各方面具有特殊性能。,27,五、国外特种陶瓷研究动向 国外特种陶瓷的开发研究始于20世纪的20年代，据报道，1924年德国科学家鲁夫在2000 左右成功地烧制了一块洁白如玉、坚硬的陶瓷世界上第一块纯氧化铝陶瓷。其硬度在当时仅次于金刚石，机械强度、耐化学腐蚀性、电绝缘性等性能均非常好。它的诞生标志着特种陶瓷新时代的开始。,28,据有关统计资料显示：2006年，全球使用特种陶瓷的量达800多亿美元，且平均每年以15%-20%的速度增长。据预测，到2010年，世界特种陶瓷市场的销售额可望达到1500亿美元左右。美国与日本在特种陶瓷方面的研究与开发遥遥领先于世界上其他国家，其特种陶瓷的销售量也逐年增加。据有关媒体报道的统计资料显示：1980年美国特种陶瓷市场规模仅为5.56亿美元，1990年达到了21.96亿美元，2000年高达51.25亿美元。20年间增长了近10倍。日本的特种陶瓷市场同样得到了飞速发展，1980年为6950亿日元，1990年达25263亿日元，2000年高达61261亿日元，20年间增长了近9倍。,29,表4 美国特种陶瓷市场规模 单位：百万美元,30,表5 日本特种陶瓷市场规模 单位：亿日元,31,日本发展特种陶瓷的战略步骤是首先开发制造日用生产用品和某些发热元件，如陶瓷剪刀、陶瓷加热器、陶瓷手术刀、人造陶瓷关节及陶瓷滚珠圆珠笔等，这些产品在印尼、泰国、新加坡和马来西亚很受欢迎。,在积累了一定的特种陶瓷生产工艺、掌握了特种陶瓷生产技术的基础上，日本开始研究开发高级技术陶瓷及精密陶瓷元件。如日立公司采用的陶瓷薄膜磁头，既降低了产品的生产成本，又提高了磁头的录音、演奏与消磁性能。随即向市场投放陶瓷光盘，到2000年陶瓷光盘的销售额已达到10亿美元，并成功地打入了东南亚、西欧和美国市场。,32,目前，日本是全球特种陶瓷的第一生产大国，从事陶瓷开发生产的公司有500多家，在电子陶瓷、光导纤维、高韧性陶瓷等精细陶瓷材料与陶瓷元器件等方面，日本均处于领先地位。,33,美国为世界特种陶瓷的第二生产大国，从事特种陶瓷生产的公司有 300多家，其中从事高温结构陶瓷研发、生产和应用的公司在30-40家之间，年均高技术陶瓷研发投入达12亿美元。为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，美国制定了先进高温热机材料计划、先进涡轮技术应用计划、国家宇航计划和国防关键技术计划，把高温结构陶瓷及其复合材料作为重点研究对象。目前美国格鲁曼公司正在研究大气层超音速飞机发动机用陶瓷材料进气口、燃烧室和喷管等部件。,34,六、国内特种陶瓷发展现状我国的特种陶瓷是五六十年代为支撑我国“两弹一星”的研制而发展起来的。通过国家从“六五”到“十五”的科技攻关，以及“863”计划、“973”计划的重点支持，特种陶瓷从研究开发到应用和产业化都取得了很大的进展。经过几十年的发展，陶瓷基片、陶瓷电容器、陶瓷滤波器、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、绝缘陶瓷、泡沫陶瓷等等，都已实现了产业化。目前特种陶瓷已形成了一个具有相当规模的新材料产业。,据国家统计局数据显示，截止2006年，我国共有规模以上特种陶瓷制造企业397家，实现工业总产值185亿元，其中从事功能陶瓷的单位占70%，从事结构陶瓷的单位占30%，主要分布在山东、江苏、湖南、江西、辽宁、福建、上海、广东等省市。专家预计，2010年我国特种陶瓷产值将达到400亿元，市场需求巨大。,35,1.深圳：深圳市南玻结构陶瓷有限公司2.佛山：佛山陶瓷研究所3.娄底：1）新化鑫星电子陶瓷有限公司 2）娄底安地亚斯陶瓷有限公司4.长沙：湖南精城特种陶瓷有限公司,36,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,一、公司简介成立于1991年，是一家致力于结构陶瓷材料研究、开发与应用的高新技术企业，为上市公司中国南玻集团股份有限公司的全资子公司。目前已是国内大规模稳定地生产氧化锆陶瓷专业企业。产品包括氧化锆粉、氧化锆磨介、氧化锆推剪和陶瓷阀门等产品，覆盖石油、化工、机械、电子、医药、食品等十几个行业，其中陶瓷阀门、氧化锆磨介等多项产品荣获深圳市科技进步奖、国家级新产品称号，多个产品拥有国家专利。系列产品被中国国际贸易促进委员会列为向欧盟市场推荐产品。1995年，深圳市南玻结构陶瓷有限公司取得德国TUV认证机构颁发的ISO9001证书,2003年公司又通过了SGS的认证,取得了ISO9001:2000证书。完善的管理体系和严格的质量控制，确保了公司每一产品的完美品质。,37,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,二、公司产品,磨介,球阀,陶瓷手表配件（表链、表壳）,38,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,推剪刀片：为美发推剪、美容鼻毛剪、体毛剪、修眉刀、胡须刀、修羊毛刀、宠物剪毛刀之重要部件。,陶瓷刀：陶瓷餐刀采用号称陶瓷钢的氧化锆陶瓷材料精制而成，用于现代厨房，具有一系列金属刀无法比拟的优点,39,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,各类异形陶瓷件,陶瓷标准块,陶瓷柱塞,分选盘、编带盘,陶瓷拉线轮,陶瓷轴承,40,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,陶瓷研磨罐,磨机配件：电子浆料、陶瓷粉末、磁性材料、电池原料、稀土材料、非金属矿等的研磨工艺中,陶瓷轧辊,流体控制用配件,锆宝石,41,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,三、发展历程1、1993年9月26日“块式陶瓷球阀”申请实用新型专利证书成功。2、1993年10月10日“陶瓷球阀”申请实用新型专利证书成功。3、1993年6月8日“陶瓷球阀”荣获广东省重大科学技术研究成果登记证书。4、1995年5月16日“高强度特种陶瓷球阀的开发和生产”获得深圳市高新技术项目认定书。5、1995年5月“高性能特种陶瓷球阀”荣获国家级新产品证书。6、1996年1月8日通过TUV认证，并获得证书。7、1996年2月11日“防脱落型陶瓷柱塞”申请实用新型专利证书成功。8、1998年7月1日被评为高新技术企业，获得深圳市高新技术企业证书。9、1998年11月“高性能氧化锆陶瓷磨介”荣获国家重点新产品证书。10、1999年5月10日“陶瓷凡尔（阀球、阀座）”获得科学技术成果鉴定证书。,42,1.深圳市南玻结构陶瓷有限公司,11、1999年10月30日“增韧氧化结构陶瓷”被法国科技质量监督评价委员会推荐为高质量科技产品，获得荣誉证书。12、1999年12月10日“超性能陶瓷球阀”、“高性能陶瓷磨介”分别获得科技进步奖。13、2002年8月“阀球、阀座”获得广东省重点新产品证书。14、2003年9月公司质量管理体系一次通过SGS认证机构的现场认证审核。15、2004年7月向南山区科技局申报“纳米氧化锆的制备新工艺”科技项目成功。16、2004年以来，公司销售额、利润创历史新高。17、2006年8月通过SGS认证机构的重新认证审核。,43,2.佛山陶瓷研究所,一、公司简介 佛山市陶瓷研究所始建于1958年，总部座落在著名的南国陶都广东省佛山市禅城区石湾，是一家集科研开发、技术成果转化、技术服务及科技期刊出版为一体的广东省首批综合型高新技术企业。不断开发出满足陶瓷市场需求的新产品，并把科技成果成功孵化和推向市场，进而创建了以佛山市陶瓷研究所为母体，簇拥9大成员、极富竞争力的金刚企业。,44,2.佛山陶瓷研究所,金刚企业依托佛山市陶瓷研究所，持续发展、壮大，拥有一支高素质的科技研发、管理人员队伍和一大批经验丰富的生产工人；拥有数十项发明专利、实用新型专利；拥有广东南海、广东顺德、山东临沂三大金刚辊棒生产基地；拥有广东顺德、山东邹平两大金刚耐火材料和金刚球石生产基地；拥有禅城金刚泡沫陶瓷和精细陶瓷生产基地；拥有大型特种陶瓷和新材料中试孵化基地，国家级工程陶瓷技术中心，广东省最大的陶瓷材料分析检测中心，以及为陶瓷企业提供科技交流信息服务的佛山陶瓷杂志。,45,2.佛山陶瓷研究所,金刚企业凭借坚实的技术根基创造了光彩夺目的企业辉煌，开发出金刚牌陶瓷辊棒、辊棒涂料、耐火材料、高铝球石、泡沫陶瓷、无机陶瓷膜管、精细陶瓷、砖底涂料、坯体增强剂、煅烧高岭土、羧甲基纤维素等系列陶瓷和相关产品，占有国内市场巨大份额，成功抢滩国际市场，产品出口到包括西班牙、土耳其、印度、墨西哥等20多个国家。金刚企业主导产品“金刚牌”陶瓷辊棒，采用发明专利冷等静压技术生产的高档工业陶瓷制品，广泛应用于建筑陶瓷、日用陶瓷等工业窑炉中。金刚辊棒产销量位居世界前列，荣膺行业唯一上榜的“中国陶瓷行业名牌产品”称号。,46,2.佛山陶瓷研究所,二、公司产品,SF90型碳化硅棍棒,VF95 型中温陶瓷辊棒,VJ95 急冷带抗弯陶瓷辊棒,GF98超高温陶瓷辊棒,47,2.佛山陶瓷研究所,泡沫陶瓷过滤材料,莫来石轻质砖,烧嘴砖,氧化铝衬板、衬片及异型件,耐磨氧化铝瓷球和衬砖,高速高铝球磨罐,48,2.佛山陶瓷研究所,无机陶瓷膜管,耐火瓷件,坩埚、匣钵,口罩模,49,七、国内外主要差距根据上述国内外特种陶瓷的现状，我们的主要差距表现如下：（1）生产能力的差距：全世界特陶产值约300亿美元，而国内生产产值估计仅100-150亿元人民币，仅占国际特陶市场产值的4%-6%，完全不能满足国内各工业部门对它的要求，发展潜力巨大。,50,(2)生产规模上差距：国际上1993年超亿美元销售额的工厂就有22家(现有上百家)而国内仅有几家可以与它们相比，绝大部分都是中小企业，分散经营，水平不高，缺竞争力。(3)产品结构上差距：经过十多年的攻关，特陶产品的品种有了较大的扩展，不仅有高温结构部件，各种耐磨部件，精密窑具和陶瓷轴承球，刀具等高科技新产品，而且功能陶瓷的品种也有所增加。虽然在主要材质品种与国外相近，但与国外新产品相比，差距较大，国外这几年特陶发展有赖于电子、通讯和膜分离技术的进步，而我国这方面技术相对落后，国外已经应用比较成熟的新产品，如汽车、飞船、化工等方面特陶新产品，而我国正处在开发阶段，所以不能全部满足各工业部门的需要。,51,(4)技术水平上的差距：特种陶瓷经过10多年的努力，在材料性能，小型的工艺装置可与国外相比，但产业化后的性能就不能完全达到实验室水平，主要是缺少大型特殊的工艺装备、生产控制手段也不够理想等。中试手段和相应的技术水平也跟不上要求。,52,(5)产业化推进水平方面差距：鉴于我国工业基础与国外差距较大，特陶生产企业比较分散，技术力量也不集中，缺少原始性创新的成果，因此给特陶产业化进程，设置了障碍。因此，如何能统筹特陶的产业化进程，做好知识产权的保护，处理好产-学-研的关系，是当前产业化推进中必须解决的关键，只有如此才能加快我国特陶产业化进程。,53,八、特种陶瓷产品的发展趋势 在未来十年内，特种陶瓷的发展状况将仍以功能陶瓷为主轴，同时带动结构陶瓷的发展。随着能源开发、空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、传感技术等新技术的发展，对材料的结构和功能特性将提出越来越高要求，开发和有效利用高性能、多功能材料引人瞩目。陶瓷材料具有从脆性到超塑性、从绝缘到超导、从隔热到导热、从柔软到超硬以及耐高温、耐腐蚀、质量轻等特点，其性能变化范围之大、材料组成之多是金属材料和有机高分子材料无法相比，因而成为新材料的发展重心。如今，在新材料世界里，陶瓷材料与金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势，同时它们又互相复合，取长补短，成为推动科学技术发展和人类社会进步的物质基础。,54,特种陶瓷虽然发展很快，但在相关技术上还有待完善和提升。为了更好地推动特种陶瓷的研发和应用，实现商品化生产，今后的研究与开发重点主要是：,(1)高纯超细粉末原料的产业化制备技术和产品的系列化、标准化。,(2)高性能陶瓷的特殊成型、烧结、精密加工技术研究。,(3)特种陶瓷基础技术的研究，包括材料设计、模拟仿真、烧结机理、检测技术等。,55,(9)陶瓷与陶瓷或陶瓷纤维与其它材料的复合技术研究。,(4)特种陶瓷的薄膜化或非晶化技术研究。,(5)新型功能陶瓷包括敏感陶瓷、叠层陶瓷、生物陶瓷与超导陶瓷的研究。,(6)陶瓷的纤维化技术以及纤维增强陶瓷基复合材料的制备技术和连续化工艺装备研究。,(7)高性能工程陶瓷：包括陶瓷发动机、燃气轮机、高温密封阀、轴承、泵、风机、炼钢轧辊、喷管等的研制。,(8)多孔陶瓷特别是用于熔融金属过滤和高温粉尘、废气处理的泡沫陶瓷研制。,56,第一章 氧化物陶瓷本章主要内容:第一节 氧化铝陶瓷 第二节 氧化镁陶瓷第三节 氧化铍陶瓷第四节 氧化锆陶瓷,第二篇 高温结构陶瓷,57,第一节 氧化铝陶瓷 一、Al2O3陶瓷类型 二、Al2O3的晶型 三、Al2O3原料的制备 四、Al2O3的预烧 五、Al2O3陶瓷的生产工艺 六、Al2O3陶瓷的后加工处理 七、Al2O3陶瓷的性能与应用,58,一、Al2O3陶瓷类型 氧化铝陶瓷（alumina ceramics）是一种以-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量一般在7599.9%之间。通常以配料中Al2O3的含量来分类。根据Al2O3含量不同，习惯上称为75瓷、80瓷、85瓷、90瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。,59,二、Al2O3的晶型Al2O3具有多种晶体结构，大部分是由氢氧化铝脱水转变为稳定结构的-Al2O3时所生成的中间相。它们的结构是不完整的，在高温下是不稳定的，最后都转变成-Al2O3。据文献报道，已有、及无定型氧化铝等12种。但最为常见的有三种，即-Al2O3、-Al2O3和-Al2O3。,60,61,(1)-Al2O3-Al2O3是氧化铝的低温形态，由制备工业氧化铝的中间产物氢氧化铝经锻烧而得。其结构疏松，易于吸水，且能被酸碱溶解，性能不稳定，不适于直接用来生产氧化铝陶瓷。尖晶石结构，密度低，高温不稳定，很少单独制成材料。通过采用适当的添加剂对-Al2O3进行高温锻烧，使-Al2O3不可逆转的变为-Al2O3(950 1500)，此过程伴随着14.3%的体积收缩，使用锻烧收缩后得到的-Al2O3生产氧化铝陶瓷，有利于产品尺寸的控制和减少产品的开裂。,62,(2)-Al2O3-Al2O3实际上不是氧化铝的变体，而是一种含碱金属(或碱土金属)的铝酸盐(其通式为 R2O11Al2O3，或 RO6Al2O3)。-Al2O3是一种不稳定的化合物，加热时，会分解生成Na2O(或RO)和-Al2O3，Na2O则挥发逸出，其分解温度取决于高温锻烧时的气氛和压力。在空气或氢气中1200便开始分解，超过1 650则剧烈挥发。由于-Al2O3的结构具有明显的离子导电能力和松弛极化现象，介质损耗大，电绝缘性能差，在制造无线电陶瓷时不允许-Al2O3的存在。,63,(3)-Al2O3属三方柱状晶体，晶体结构中氧离子形成六方最紧密堆积，铝离子则在6个氧离子围成的八面体中心。有天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。由于-Al2O3具有熔点高，硬度大，耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种形态中最稳定的晶型，也是自然界中惟一存在的氧化铝的晶型。用-Al2O3为原料制备的氧化铝陶瓷材料，其机械性能、高温性能、介电性能及耐化学腐蚀性能都是非常优异的。,64,氧化铝结构图,65,蓝宝石,蓝色的蓝宝石，是由于其中混有少量钛（Ti）和铁（Fe）杂质所致；,66,红宝石,红色来自铬(Cr),67,三、Al2O3原料的制备 一般应用于陶瓷工业的氧化铝主要有两大类，一类是工业氧化铝，另一类是电熔刚玉。,68,1.工业氧化铝工业氧化铝的制备：工业氧化铝粉是以铝矾土（主要矿物组成为一水硬铝石（Al2O3H2O）、一水软铝石、三水铝石等氧化铝的水化物）为原料，用湿碱法(拜尔法)和干碱法(烧结法)制备的。工业氧化铝其矿物成分绝大部分是-Al2O3。,NaAlO2 Al(OH)3 g-Al2O3 a-Al2O3 湿碱法：Al2O33H2O+2NaOH2NaAlO2(偏铝酸钠)+4H2O 烧结法：Al2O33H2O+Na2CO32NaAlO2+CO23H2O,69,工业氧化铝是白色松散的结晶粉末，颗粒是由许多粒径0.1um 的-Al2O3晶体组成的多孔球形聚集体，其空隙率约为30%，平均粒径为4070um。,工业氧化铝主要杂质成分中，Na2O 及Fe2O3将降低氧化铝瓷件的电性能，因此Na2O的含量应0.5%0.6%，Fe2O3含量应0.04%。另外，在电真空瓷件中，工业氧化铝不得含有氯化物、氟化物等，因为它们能侵蚀电真空装置。,70,2.电熔刚玉电熔刚玉是以工业氧化铝或铝土矿加碳在电弧炉内于20002400 熔融，缓慢冷却使晶体析晶出来，也称人造刚玉。其Al2O3含量可达99%以上，Na2O 含量可减少至0.1%0.3%。,电熔刚玉的矿物组成主要是-Al2O3，纯正的电熔刚玉呈白色，称为白刚玉；熔制时加入氧化铬，可制成红色的铬刚玉；加入氧化锆时可制成锆刚玉；电熔刚玉中含有TiO2则称为钛刚玉。这一系列的电熔刚玉由于熔点高、硬度大，是制造高级耐火材料以及高硬磨料磨具的优质原料（刚玉熔点为2050，莫氏硬度为10）。,71,3、无机铝盐热分解法（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+Al2O3 4)高温灼烧-Al2O3-Al2O3 条件：T=1200，粒度160200nm 5)缺点：污染严重,72,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,73,四、Al2O3的预烧（煅烧）1.Al2O3预烧的目的1）使-Al2O3 全部转变为-Al2O3，减少烧成收缩。由于工业Al2O3中含有-Al2O3，它在1200 以上将不可逆转地转变为-Al2O3，同时伴有14%左右的体积收缩。为消除这种收缩，在制坯前应对工业Al2O3进行预烧。2）排除Al2O3原料中的Na2O，提高原料的纯度。,74,2.影响预烧质量的因素：1）工业中预烧氧化铝时，通常要加入适量的添加物，如H3BO4，NH4F，AlF3等，加入量一般为0.3%3%。添加物可以降低预烧温度、促进晶型转化、排除Na2O等杂质。硼酸盐除碱效果好，氟化物可促进晶型转变，且收缩大、活性好。2）预烧质量与预烧温度有关。预烧温度偏低，则不能完全转变成-Al2O3，且电性能降低；若预烧温度过高，则粉料发生烧结，不易粉碎，且活性降低。一般情况下，Al2O3 粉体煅烧温度控制在14001450。3）气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大。以CO+H2最好。,75,(1)染色法。由于-Al2O3结构致密不会吸附染料，而-Al2O3是多孔的球体结构，吸附能力强，因此可以通过吸附染料的多少来判断转化的程度。通常所用的染料有茜素、亚甲基蓝等。未转化完全的Al2O3颜色深，转化完全的Al2O3则染色浅。这种在实际使用时简单，但是不能作定量测定。,(2)光学显微镜法。此法是根据-Al2O3和-Al2O3具有不同的折射率来判断转化情况，一般采用折射率为1.730的二碘甲烷作为测定折射率用油。在偏光显微镜下，如果测得折射率大于1.730的则属于-Al2O3，相反，小于1.730则属于-Al2O3。,3.Al2O3预烧质量的检查,(3)密度法。对于-Al2O3和-Al2O3而言，-Al2O3密度大，接近理论密度；而-Al2O3密度小。因此，可以根据预烧后Al2O3的密度来估算-Al2O3所占的数量，从而判断预烧质量的好坏。,76,五、Al2O3陶瓷的生产工艺Al2O3的生产工艺，大体要经过下面几个主要工序：原料煅烧 磨细 配方 加粘结剂 成型 素烧 修坯 烧结 表面处理,77,1.磨细由于颗粒细度对制品性能影响很大，预烧过的Al2O3需要粉碎磨细。Al2O3粉体颗粒越细，缺陷越多，活性也越大，可促进烧结，制成的陶瓷强度也越高。制作氧化铝陶瓷的微粉最佳粒度为0.11um，我国目前一般在 7um，这是国内氧化铝陶瓷质量不如国外产品质量的主要原因。,细颗粒含量在一定范围内有利于提高氧化铝陶瓷性能。1）小于1um的颗粒应为15%30%，但是当含量大于40%时，易造成重结晶，晶体发育过大，气孔易封闭在晶粒内，使性能变坏。而颗粒粗又易造成难以烧结；2）当5um颗粒含量大于10%15%时，对烧结有明显的阻碍作用。因此，大小颗粒应合理级配。,采用球磨工艺，一般有两种方法，即湿磨和干磨。湿磨比干磨效率较高。对于干磨，需要外加添加剂，如加入13%油酸，可以防止粘结，其表面改性作用，提高球磨效率。,78,2.混料及添加剂 由于氧化铝陶瓷成形料是以瘠性料为主，常需要加入聚乙烯醇、石蜡等粘结剂和乙酸乙烯酯、羟甲基纤维素等塑化剂，基于亲水、疏水两种粘结剂优势互补的原理，使用复合粘结剂使干燥坯体强度大大增加。成形前将其与原料均化，以提高粉料的成形性能和坯体强度。,3.生坯的干燥与素烧 水分及添加剂的排除易使坯体产生缺陷、变形甚至倒塌，所以在坯体干燥和素烧过程中，要严格控制升温速度，否则会因温度不均匀产生热应力使坯体开裂。如：在热压铸成形坯体升温排蜡过程中，要特别注意200600 温区，在这个温区，石蜡要从坯体中排除，因此升温要缓慢，否则会造成变形和开裂。素烧的温度太低不能完全排除其中的添加剂和水分，素坯的强度低；温度太高会使坯体烧结难以加工处理。,79,4.烧结 烧结是氧化铝陶瓷生产中非常重要的一个环节，它对氧化铝陶瓷的物理化学性能均有很大的影响。,影响Al2O3陶瓷烧结的因素：（1）成形方法的影响。根据需要，选择合适的成形方法，可获得显微结构均匀、各相分布均匀的坯体，通过控制和消除成形过程中的缺陷，可有效降低烧结温度及坯体收缩率，加快致密化进程，减少烧结制品的机加工量。,80,（2）烧结制度的影响适当提高烧结温度，有利于扩散和烧结的进行，使烧结速度加快，促进致密化。升温速度的控制对氧化铝陶瓷烧结是很重要的。通常，在600 以下应缓慢，在10001500 中温阶段要严格控制并尽量慢一些；在1500 以上升温速度可以加快，防止粗晶出现。压力也促进粉料间的间隙减少，扩散距离缩小。,81,（3）烧结气氛的影响气氛对Al2O3 陶瓷烧结影响很大，合适的气氛有助于致密化。一般来说，气氛中的氧离子分压越低，越有利于氧化铝的烧结。在氢气气氛下烧结，由于氢原子半径很小、易于扩散而有利于消除封闭气孔，可得到近于理论密度的烧结体。CO-H2气氛可以使氧化铝晶格中的氧离子较易失去，形成空位，加速阳离子扩散，从而有效促进烧结，并获得很好的致密度，比氢气气氛更容易烧结。,82,（4）添加剂的影响由于Al2O3陶瓷坯体熔点高，较难烧结，若加入某种添加剂，则可以改善烧结性能，促进烧结。就添加剂来说，大致可分为以下两大类：一类是与Al2O3生成固溶体，一类是能生成液相。第一类添加剂为变价氧化物，有TiO2、Cr2O3、Fe2O3及MnO2等。作用：1）由于其晶格常数与Al2O3的相接近，因此通常能与Al2O3生成固溶体。2）同时它们是变价氧化物，由于变价作用，使Al2O3瓷产生缺陷，活化晶格，促进烧结。例如，加入0.51%的TiO2，可以使Al2O3瓷的烧结温度降低150200，大大节约能源。注意，TiO2还可促进晶粒长大，尺寸达200350 um。,83,另一类添加剂即由于生成液相，降低烧成温度而促进Al2O3的烧结。这一类添加剂有高岭土、SiO2、CaO、MgO等。1）由于它们能与其它外加剂生成二、三元或更复杂的低共熔物，促进烧结。2）控制晶粒尺寸。,84,（5）烧结方法的影响 正确选择烧结方法，是使氧化铝陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键。合适的烧结方法可有效降低烧结温度。氧化铝陶瓷常压烧结在1800 以上，热压（20MPa）烧结在1500 左右就能获得接近于理论密度的制品，而高温等静压烧结（400MPa）在1000 左右就已达到致密化。,85,六、氧化铝陶瓷的后加工处理在烧结冷却后，有些产品还达不到应用的要求，所以要进行必要的加工处理，如修正尺寸、抛光等。为了增加氧化铝陶瓷产品表面的致密性，一般用比氧化铝还要硬的金刚石、碳化硅（SiC）、碳化硼等由粗到细逐级进行研磨，最终使氧化铝陶瓷表面抛光，使陶瓷表面更加致密、光滑，可大大提高氧化铝陶瓷使用性能。还有人用离子注入法对材料表面进行加工，离子注入陶瓷是对现有增韧机理的补充，是对制备好的陶瓷产品的深加工。例如：用镍离子对陶瓷产品进行镍粒子注入处理后，机械强度、韧性会大大增强。现在氧化铝陶瓷的金属化也得到了迅速发展，它使陶瓷和金属粘结在一起，便于陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷间的钎焊封接。,86,七、氧化铝陶瓷的性能与应用1.性能(1)机械强度高。Al2O3瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa。Al2O3成分愈纯，强度愈高。强度在高温下可维持到900。利用其机械强度，可以制成装置瓷和其他机械构件。(2)电阻率高，电绝缘性能好。常温电阻率1015cm，绝缘强度15kV/mm。利用其绝缘性和强度，可以制成基板、管座、火花塞、电路管壳等。(3)硬度高。莫氏硬度为9，加上优良的抗磨损性，广泛用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。,87,(4)熔点高，抗腐蚀。熔点2050，能较好地抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金属的侵蚀。对NaOH、玻璃、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗能力。因此可用作耐火材料、炉管、玻璃拉丝坩埚、空心球、热电偶保护套等。(5)化学稳定性优良。许多复合的硫化物、磷化物、氯化物、氧化物等以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸均不与Al2O3作用。因此Al2O3可以制成坩埚、人体关节、人工骨、羟基磷灰石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿等。(6)光学特性。可以制成透光材料（透光Al2O3瓷），用以制造钠蒸汽灯管、微波整流罩、红外窗口、激光振荡元件等。(7)离子导电性。用作太阳能电池材料和蓄电池材料。,88,氧化铝陶瓷制品,89,氧化铝陶瓷制品,90,氧化铝陶瓷显微结构,91,火花塞,92,陶瓷球阀,93,陶瓷柱塞与球阀,94,氧化铝真空密封件,95,真空开关管,96,陶瓷金属化,97,陶瓷基片,98,氧化铝DBC基板,99,氧化铝水阀片等耐磨陶瓷,100,纸机用除砂器,101,陶瓷加热器、臭氧发生器,102,人造宝石,