Ионизация и комбинация низкотемпературных добавок для спекания керамики из оксида алюминия
Керамика из оксида алюминия, известные своей высокой изоляцией, теплоизоляцией, коррозионной стойкостью и высокой твердостью, широко используются в различных областях, таких как механическая обработка, электроника, химическая промышленность и аэрокосмическая промышленность, из-за их обширных источников и низкой стоимости. Однако малый атомный радиус кристаллов Al2O3, сильные ионные связи и высокая энергия решетки требуют преодоления интенсивных взаимодействий ионных связей при очень высоких температурах (2050°C) для достижения плавления и спекания. Это не только потребляет значительное количество энергии и предъявляет высокие требования к термическому оборудованию, но и приводит к аномальному росту зерен при повышенных температурах, что приводит к неравномерной структуре и даже крупным внутренним закрытым порам, что снижает прочность связи между зернами и снижает эксплуатационные характеристики материала. Поэтому исследование технологии низкотемпературного спекания керамики из оксида алюминия имеет решающее значение, будь то для снижения энергопотребления, экономии затрат или повышения производительности.
В настоящее время существует три основных метода снижения температуры спекания оксида алюминия:
1. Уменьшение размера частиц порошка оксида алюминия;
2. Внедрение других передовых технологий низкотемпературного спекания;
3. Добавление вспомогательных средств для спекания.
Поскольку использование мелкодисперсных порошков в качестве сырья является дорогостоящим, а передовые методы низкотемпературного спекания, такие как микроволновое спекание и плазменное спекание, требуют высоких технологических требований и затрат на оборудование, добавление спекающих добавок непосредственно к порошковым материалам на основе оксида алюминия является экономичным, эффективным и простой метод по сравнению с двумя предыдущими. В настоящее время это наиболее эффективный и осуществимый метод низкотемпературного спекания.
Классификация и механизм действия низкотемпературных добавок для спекания на основе оксида алюминия
Механизм, с помощью которого спекающие добавки способствуют уплотнению керамики из оксида алюминия, сложен. В соответствии с различной ролью катионов в различных спекающих добавках в продвижении спекания их можно условно разделить на четыре типа: образование твердых растворов с оксидом алюминия, образование эвтектических систем с оксидом алюминия при спекании, образование новых фаз с оксидом алюминия, и стимулирование жидкофазного спекания за счет наличия в сырье легкоплавких стеклофаз.
1, Формирование твердых растворов с оксидом алюминия.
Твердый раствор замещения между спекающими добавками и оксидом алюминия является важным механизмом, способствующим уплотнению спекания оксида алюминия. Когда спекающие добавки и оксид алюминия подвергаются замещению в твердом растворе при высоких температурах, атомы растворенного вещества заменяют атомы растворителя в решетке. Разница в ионном радиусе между катионом и Ал3+ приведет к искажению решетки и образованию дефектов решетки. Более того, из-за различия валентного состояния катиона и Al2O3 стремление кристалла к нейтральности приводит к образованию в кристалле катионных вакансий, вызывающих сжатие решетки. Эти дефекты решетки и катионные вакансии облегчают активацию решетки, увеличивают скорость диффузии и облегчают рекристаллизацию керамики из оксида алюминия, тем самым способствуя спеканию и снижая температуру спекания. Обычно спекающие добавки, способные образовывать твердые растворы с оксидом алюминия, представляют собой оксиды с постоянной решетки, близкой к Al2O3, в основном содержащие элементы переменной валентности, такие как ТиО2, Cr2O3, Fe2O3 и MnO2.
Дефекты решетки, вызванные заменой твердого раствора
2. Формирование эвтектических систем с оксидом алюминия.
Во время спекания низкоэвтектические растворители представляют собой эвтектические смеси, образованные двумя или более твердыми веществами за счет водородных связей. Из-за сильного взаимодействия между анионами акцептора водородной связи (ГВА) и донора водородной связи (ГБС) и делокализации заряда, вызванной подачей водорода в ГБД и компонентом ГБК, их температуры плавления ниже, чем у каждого отдельного компонента. . Например, принцип посыпания снега солью использует принцип низкой эвтектики для таяния снега.
Типичное применение эвтектической системы лед + соль
При низкотемпературном спекании оксида алюминия добавляют спекающие добавки, способные образовывать бинарные, тройные или многокомпонентные эвтектические системы с другими компонентами, такими как SiO2, СаО, MgO, СрО и БаО. При нагревании до минимальной эвтектической температуры начинает появляться жидкая фаза. Поскольку температура эвтектики ниже теоретической температуры спекания до добавления добавки, достигается низкотемпературное спекание.
3. Образование новых фаз с оксидом алюминия.
Во время спекания. Во время спекания оксида алюминия некоторые добавленные спекающие добавки (такие как MgO, SiO2 и т. д.) вступают в твердофазные реакции с оксидом алюминия с образованием вторых фаз, таких как шпинель алюмината магния и муллит. Образование вторых фаз может активировать решетку, способствовать спеканию оксида алюминия и улучшать свойства керамики. Обычно образование вторых фаз часто сопровождается генерацией других механизмов, таких как жидкие фазы и твердые растворы, играющих вспомогательную роль в ускорении спекания. Стоит отметить, что образование новых фаз играет важную роль в улучшении свойств алюмооксидной керамики. Например, магниево-алюминиевая шпинель, образующаяся на поверхности Al2O3 под действием MgO, может снижать межфазную энергию, уменьшать скорость диффузии границ зерен, эффективно подавлять рост кристаллов Al2O3 и действовать как стабилизатор.
Принципиальная схема реакции глинозема и магнезии с образованием магнезиально-глиноземной шпинели
4. Использование легкоплавких стеклянных фаз с присущими им низкими температурами плавления для формирования жидких фаз.
При спекании керамики введение легкоплавких стеклофазных веществ (таких как бораты и др.) с низкими температурами плавления будет постепенно претерпевать переход из твердой фазы в жидкую фазу с повышением температуры. Изменяется также вязкость стеклофазы. Когда вязкость снижается, вызывая вязкое течение при определенной температуре из-за капиллярного давления, это может способствовать перестановке частиц порошка в сыром теле, достижению более плотной пространственной укладки и способствовать растворению мелких частиц или частиц твердой фазы в жидкости. фаза. За счет диффузии жидкости на поверхности крупных частиц происходит конденсация, ускоряющая процесс реакции, благодаря чему достигается спекание керамики при более низких температурах. В настоящее время использование легкоплавких стеклофазных добавок для спекания позволяет снизить температуру спекания оксида алюминия примерно до 900°С.
Принципы выбора и сочетания вспомогательных средств для спекания
Одна добавка обычно не может одновременно отвечать требованиям спекания, а также механическим и электрическим свойствам. В некоторых случаях использование одного вспомогательного средства для снижения температуры спекания может привести к снижению характеристик керамики. Поэтому в практическом производстве часто приходится использовать комбинацию нескольких вспомогательных средств для формирования композиционных добавок.
Чтобы максимизировать эффективность вспомогательных средств для спекания без ущерба для характеристик материала, при выборе композитных вспомогательных средств следует соблюдать следующие принципы:
．Различные вспомогательные средства должны оказывать синергетический эффект на стимулирование спекания. Использование нескольких вспомогательных средств с разными механизмами спекания может лучше снизить температуру обжига по сравнению с использованием одного вспомогательного средства.
．Различные вспомогательные вещества предпочтительно не должны вступать в реакцию друг с другом, поскольку это может ослабить или свести на нет их эффект, способствующий спеканию.
．Различные средства могут дополнять друг друга. Негативное влияние одной добавки на свойства материала при продвижении спекания можно компенсировать другой добавкой.
При выборе различных добавок для формирования композиционных добавок в качестве основных добавок для формирования низкоэвтектических систем в основном используются стеклообразователи, такие как SiO2, дополненные промежуточными материалами стекла, такими как БеО и ZnO, и материалами-модификаторами стекла, такими как MgO, Li2O, БаО, СаО и Sr2O используются для образования MgO-Al2O3-SiO2 (МАС), СаО-Al2O3-SiO2 (КАС), Li2O-Al2O3-SiO2 (ЛАС) и других систем спекания. Для керамики из оксида алюминия высокой чистоты MgO обычно выбирается в качестве основной добавки для спекания для образования алюминатной шпинели магния и создания низкоэвтектических систем. Однако высокотемпературная летучесть MgO приведет к образованию крупных зерен на поверхности керамики, что повлияет на свойства оксида алюминия. Поэтому для снижения скорости роста границ зерен оксида алюминия необходимы другие вспомогательные средства для спекания, например, использование комбинации MgO и La2O3 или Y2O3. В настоящее время экспериментально доказано, что широко используемые композиционные добавки, такие как система СаО-MgO-SiO2, система MnO2-ТиО2-MgO и система CuO-SiO2, позволяют значительно снизить температуру спекания при измельчении зерна, стабилизации структуры и улучшение механических свойств материала.
СЯМЫНЬСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНА, ООО. является авторитетным и надежным поставщиком, специализирующимся на производстве и продаже технических керамических деталей. Мы обеспечиваем индивидуальное производство и высокоточную механическую обработку широкого спектра высокоэффективных керамических материалов, включая глиноземная керамика, циркониевая керамика, нитрид кремния, Карбид кремния, нитрид бора, нитрид алюминия и обрабатываемая стеклокерамика. В настоящее время наши керамические детали можно найти во многих отраслях промышленности, таких как механическая, химическая, медицинская, полупроводниковая, автомобильная, электронная, металлургическая и т. д. Наша миссия — предоставлять керамические детали самого высокого качества для пользователей во всем мире, и нам очень приятно видеть нашу керамику. детали эффективно работают в конкретных приложениях клиентов. Мы можем сотрудничать как в прототипном, так и в серийном производстве. Если у вас есть требования, свяжитесь с нами.
