Керамические компоненты из оксида алюминия, обладающие такими превосходными свойствами, как высокая твёрдость, термостойкость, коррозионная стойкость и хорошая изоляция, широко используются в электронике, медицине, аэрокосмической промышленности и других областях. От прецизионных электронных компонентов до механических деталей, работающих в суровых условиях, – компоненты из оксида алюминия можно найти повсюду. Однако простое добавление воды к порошку оксида алюминия и его обжиг при высокой температуре не позволяет напрямую получить эти высокопроизводительные керамические компоненты с превосходными свойствами. В этом отношении решающую роль играют добавки.
Чистый оксид алюминия имеет температуру плавления до 2050 °C, а температура спекания обычно должна быть выше 1600 °C. Это не только приводит к высокому энергопотреблению, но и легко приводит к образованию крупных зерен и снижению производительности. Кроме того, сам оксид алюминия очень хрупкий, а керамика, полученная прямым спеканием, склонна к растрескиванию, что затрудняет соответствие требованиям прецизионных устройств. Функции добавок следующие:
① снижение температуры спекания (экономия энергии и снижение затрат);
② улучшение плотности (уменьшение пор и повышение прочности);
③ оптимизация структуры границ зерен (повышение прочности и стойкости к тепловому удару);
4) регулирование электрических/тепловых свойств (таких как изоляция и теплопроводность).
В этой статье рассматриваются несколько часто используемых добавок:
1. Флюсы: снижают температуру спекания и улучшают плотность.
Глинозем имеет высокую температуру плавления, и прямое спекание не только требует огромных энергозатрат, но и предъявляет чрезвычайно высокие требования к оборудованию. Появление флюсов эффективно решило эту проблему. Они действуют как регулятор температуры, способный снизить температуру спекания алюмооксидной керамики, делая процесс спекания более эффективным и энергосберегающим.
(1) Диоксид титана (TiO₂) — один из распространённых флюсов. В процессе спекания он может реагировать с оксидом алюминия, образуя эвтектику, тем самым снижая температуру образования жидкой фазы. Это похоже на процесс приготовления пищи, где добавление специальных приправ может ускорить достижение ингредиентами идеальной температуры приготовления. Использование диоксида титана в качестве флюса может не только снизить температуру спекания, но и в определённой степени повысить твёрдость алюмооксидной керамики. Например, добавление соответствующего количества диоксида титана в некоторые алюмооксидные керамические резцы, используемые для резки, может повысить их износостойкость, сохраняя при этом высокую твёрдость, что продлевает срок их службы.
(2) Оксид иттрия (Y₂O₃) также является важным флюсом. Он может ингибировать кристаллическую фазовую трансформацию оксида алюминия при высоких температурах, сохраняя стабильность керамической структуры. Для изделий из алюмооксидной керамики с чрезвычайно высокими требованиями к термостойкости, таких как основания электронных компонентов, используемых в условиях высоких температур, добавление оксида иттрия может обеспечить керамическим компонентам хорошую термостойкость, снижая их склонность к растрескиванию в условиях резких перепадов температур.
(3) Оксид кальция (CaO) также снижает температуру спекания. Он может образовывать эвтектику с оксидом алюминия, снижая энергозатраты и предотвращая чрезмерный рост зерна, что способствует получению керамики с мелкозернистой структурой. Керамика с мелкозернистой структурой обычно обладает более высокой прочностью и вязкостью. В некоторых деталях из алюмооксидной керамики, которые должны выдерживать большие внешние нагрузки, например, в износостойких деталях механического оборудования, добавление оксида кальция может улучшить эксплуатационные характеристики деталей.
2. Армирующие и упрочняющие агенты: повышают вязкость разрушения и снижают хрупкость.
Хотя алюмооксидная керамика обладает высокой твёрдостью, её прочность относительно невысока, что делает её склонной к хрупкому разрушению при внешнем воздействии. Появление армирующих и упрочняющих добавок подобно нанесению слоя "ardmor" на алюмооксидные керамические компоненты, что может эффективно повысить их прочность и ударную вязкость.
Карбид кремния (SiC) — широко используемый армирующий и упрочняющий агент. Его частицы равномерно распределены в матрице оксида алюминия. Когда керамический компонент подвергается воздействию внешних сил, частицы SiC могут препятствовать распространению трещин. Это похоже на установку препятствий на дороге: когда трещина сталкивается с этими частицами, она меняет направление своего распространения, тем самым потребляя больше энергии и снижая вероятность разрушения керамического компонента. В подшипниках из алюмооксидной керамики, используемых в условиях высоких нагрузок, добавление карбида кремния может значительно повысить несущую способность и срок службы подшипников.
Нитрид бора (БН) также относится к семейству армирующих и упрочняющих добавок. Он может улучшить фрикционные характеристики керамики и повысить её прочность и ударную вязкость. В некоторых изделиях из алюмооксидной керамики, требующих хороших фрикционных характеристик, например, в керамических кольцах, используемых для герметизации, добавление нитрида бора может снизить трение и износ между компонентами, улучшить герметизирующий эффект и повысить прочность деталей, сделав их более долговечными. Однако, если количество добавки превышает 10%, твёрдость может снизиться, поэтому необходимо обеспечить баланс между смазывающей способностью и прочностью.
3. Функциональные добавки: регулируют электрические, термические или оптические свойства.
Помимо улучшения основных свойств, функциональные добавки также могут наделить компоненты алюмооксидной керамики некоторыми уникальными свойствами, отвечающими требованиям различных областей.
(1) Оксиды редкоземельных элементов, такие как лантан и церий, являются настоящими волшебниками для улучшения электрических свойств. В некоторых компонентах из оксида алюминия, используемых в электронике, например, в керамических подложках для высокочастотных схем, добавление оксидов редкоземельных элементов может регулировать диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь керамики, улучшать её электрические характеристики, делая её более подходящей для работы в высокочастотных условиях и расширяя область её применения в электронике.
(2) Красители – это красители, которые придают цвет изделиям из оксида алюминия. Такие красители, как оксид хрома и оксид кобальта, могут вступать в реакцию с оксидом алюминия, образуя керамику различных цветов. В некоторых керамических изделиях, требующих декоративного эффекта, таких как керамическая посуда и декоративные украшения, добавление красителей может сделать керамические изделия более красивыми и разнообразными, отвечая эстетическим запросам различных потребителей.
4. Связующие и формовочные добавки: улучшают текучесть порошка и прочность формовки.
В процессе формования алюмооксидных керамических компонентов связующие и формовочные добавки играют решающую роль. Они, словно группа героев, молча преобразуют алюминиевый порошок в конструкционные детали различных форм.
Органические связующие, такие как поливиниловый спирт (ПВС) и полиакрилат, действуют как клей, склеивая порошки оксида алюминия во время формования заготовки, обеспечивая ей необходимую прочность для последующей обработки и спекания. Возьмём, к примеру, литьё в плёнку: ПВС позволяет равномерно диспергировать порошки оксида алюминия в растворителе, образуя суспензию с необходимой вязкостью и текучестью, которая затем отливается в плёнку в процессе литья в плёнку. После высыхания плёнки связующие, такие как ПВС, сохраняют её форму и структуру, предотвращая деформацию при последующей обработке.
К вспомогательным средствам для формования относятся смазочные вещества, диспергирующие вещества и т.д. Смазочные вещества могут снизить трение между порошком и формой, минимизировать износ формы и обеспечить равномерную плотность заготовки. При сухом прессовании добавление соответствующего количества смазки может облегчить заполнение формы порошком, повышая плотность заготовки. Диспергирующие вещества, в свою очередь, обеспечивают равномерное распределение порошка в шликере, предотвращая агломерацию. При литье под давлением диспергирующие вещества играют особенно важную роль, обеспечивая хорошую текучесть шликера, что облегчает его заливку в форму для формирования керамических изделий сложной формы.
Добавки играют незаменимую роль в процессе производства алюмооксидных керамических компонентов. Они всесторонне способствуют производству алюмооксидных керамических компонентов, обеспечивая уникальные свойства и формуемость. Благодаря постоянному развитию технологий в будущем могут появиться новые типы добавок, открывающие новые возможности для повышения эксплуатационных характеристик и расширения области применения алюмооксидных керамических компонентов.
