氧化铝陶瓷的应用

摘要:随着科学技术与制造技术日新月异的发展,氧化铝陶瓷在现代工业中得到了深入的发展和广泛的应用。本文介绍了氧化铝陶瓷在各个研究领域的应用及其制备工艺,以氧化铝陶瓷性能为基础,综述了它在所应用领域的发展状况。

关键词:氧化铝;刀具;透明陶瓷;纤维

1 Al₂O₃陶瓷性能简介

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。

据研究报道,Al₂O₃有12种同质多晶变体[1],但应用较多的主要有3种,即α-Al₂O₃、β-Al₂O₃和γ-Al₂O₃,这3种晶体的结构不同,故它们的性质具有很大的差异[2]。

(1) α-Al₂O₃

α-Al₂O₃是三方晶系,单位晶包是一个尖的菱面体,密度为3.96～4.01g/cm3 ,其结构最紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能也最佳,在一定条件下可以由其它的两种晶体转换而来。

(2) β-Al₂O₃

β-Al₂O₃是一种Al₂O₃含量很高的多铝酸盐矿物,密度为3.30～3.63g/cm3,它的化学组成中含有一定量的碱土金属氧化物和碱金属氧化物,并且还可以呈现离子型导电。

(3) γ-Al₂O₃

γ-Al₂O₃是尖晶石型立方结构,密度为3.42～3.47g/cm3。它的氧原子呈立方紧密堆积,铝原子填充在间隙中,这就决定了它在高温下不稳定、力学和电学性能差的缺陷,在科学应用中很少单独制成材料使用。但它有较高的比表面积和较强的化学活性,经过技术改进可以作为吸附材料使用。

在制备Al₂O₃原料方面,如果对于纯度要求不高的Al₂O₃,一般是通过化学方法来制备。以铝土矿为原料,通过烧结、溶出、脱硅、分解、煅烧等步骤,把铝土矿中的Al₂O₃成分溶解于氢氧化钠(NaOH)溶液中,将得到的偏铝酸钠(NaAlO₂)溶液,冷却至过饱和态,加水分解就会析出氢氧化铝(Al(OH)3)沉淀,再将它煅烧即可得到Al₂O₃。但在制备高纯度Al₂O₃原料时一般采用有机铝盐加水热分解法、铝的水中放电氧化法、铝的硫酸盐和氨碳酸盐热分解法、铵明矾热分解法等[3]。目前国内外大多数学者都采用铵明矾热分解法,因为此方法制备的Al₂O₃纯度高、细度小(约1?滋m以下),且颗粒分布范围窄、团聚程度轻。

氧化铝陶瓷具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等性能,而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。基于Al₂O₃陶瓷的一系列优良性能,其广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域,本文对Al₂O₃陶瓷在以上6个方面的应用进行了阐述。

2Al₂O₃陶瓷的应用

2.1 机械方面

Al₂O₃瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。Al₂O₃陶瓷的莫氏硬度可达到9,加上具有优良的抗磨损性能等,所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等,其中以Al₂O₃陶瓷刀具和工业用阀应用最广。

2.1.1 Al₂O₃陶瓷刀具

在金属切削过程中,刀具起着主导作用,由于刀具材料的性能不同,其切削性能相差很大。Al₂O₃陶瓷刀具由于具有硬度高、高温力学性能强、耐磨性能好、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点,大量应用于硬切割、高速干切割、超高速切割等一些难加工材料的切割[4]。Al₂O₃陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高,可大幅提高对不同材料的切削效率。随着科学工作者的大量研究,在制备陶瓷刀具中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制,以及添加其它成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的Al₂O₃基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯Al₂O₃陶瓷的不足,从而提高了它的切削性能和耐用度[5]。

2.1.2 纯Al₂O₃陶瓷刀具

纯Al₂O₃陶瓷刀具是指仅含有少量氧化物的高纯Al₂O₃陶瓷,其中Al₂O₃的纯度大于99%。在纯Al₂O₃陶瓷中,可以添加ZrO₂作为烧结助剂来提高它的断裂韧性[6]。目前普通烧结所制备的Al₂O₃陶瓷晶粒尺寸都在微米级,而细晶Al₂O₃陶瓷能够获得较高的强度和断裂韧性以及较好的高温性能,是制备纯Al₂O₃陶瓷刀具的理想材料。解决这一问题的有效途径是:制备出粒径尺寸在100nm以下单分散的α-Al₂O₃粉,利用纳米α-Al₂O₃的高活性,再运用先进的烧结技术在较低的温度下得到细晶Al₂O₃陶瓷[7],有时也可以加入MgO或Y2O₃来抑制晶粒长大,起到细化晶粒的作用[8]。纯Al₂O₃陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好,但抗弯强度较低、抗冲击能力差,目前它越来越多被各种复合Al₂O₃陶瓷刀具所替代。

2.1.3 复合Al₂O₃陶瓷刀具

在复合陶瓷中,有几种复合方向:Al₂O₃-碳化物陶瓷刀具、Al₂O₃-碳化物-金属陶瓷刀具、Al₂O₃-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。

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