От одного порошка до структурных компонентов из оксида алюминия: изучение невидимых помощников, стоящих за ними
Керамические компоненты из оксида алюминия, обладающие такими превосходными свойствами, как высокая твердость, высокая термостойкость, коррозионная стойкость и хорошая изоляция, широко используются в электронике, медицине, аэрокосмической промышленности и других областях. От прецизионных электронных компонентов до механических деталей в суровых условиях, керамические компоненты из оксида алюминия можно найти повсюду. Однако простое добавление воды к порошку оксида алюминия и его обжиг при высокой температуре не может напрямую производить эти высокопроизводительные керамические компоненты с превосходными свойствами. За этим решающую роль играют добавки.
Чистый оксид алюминия имеет температуру плавления до 2050℃, а температура спекания обычно должна быть выше 1600℃. Это не только приводит к высокому потреблению энергии, но и легко приводит к образованию крупных зерен и ухудшению производительности. Кроме того, сам оксид алюминия очень хрупкий, а напрямую спеченная керамика склонна к растрескиванию, что затрудняет выполнение требований точных приборов. 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 термическому удару);
④ регулирование электрических/тепловых свойств (таких как изоляция и теплопроводность).
В этой статье представлены несколько часто используемых добавок:
1. Флюсы: снижают температуру спекания и улучшают плотность.
Глинозем имеет высокую температуру плавления, а прямое спекание не только потребляет огромную энергию, но и предъявляет чрезвычайно высокие требования к оборудованию. Появление флюсов эффективно решило эту проблему. Это как "регулятор температуры", который может снизить температуру спекания алюмооксидной керамики, сделав процесс спекания более эффективным и энергосберегающим.
(1) Диоксид титана (TiO₂) является одним из распространенных флюсов. В процессе спекания он может реагировать с глиноземом, образуя эвтектику, тем самым снижая температуру, при которой появляется жидкая фаза. Это похоже на приготовление пищи, где добавление некоторых специальных приправ может ускорить достижение ингредиентами идеального состояния приготовления.Использование диоксида титана в качестве флюса позволяет не только снизить температуру спекания, но и в определенной степени повысить твердость алюмооксидной керамики.Например, в некоторых режущих инструментах из алюмооксидной керамики, используемых для резки, добавление соответствующего количества диоксида титана может сделать режущие инструменты более износостойкими, сохранив при этом высокую твердость, что продлит срок их службы.
(2) Оксид иттрия (Y₂O₃) также является важным флюсом.Он способен 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 высокотемпературных средах, добавление оксида иттрия может придать керамическим компонентам хорошую стойкость к тепловому удару, делая их менее склонными к растрескиванию в средах с быстрыми перепадами температур.
(3) Оксид кальция (СаО) также имеет эффект снижения температуры спекания. Он можетобразуют эвтектику с глиноземом, снижая энергозатраты, при этом предотвращая чрезмерный рост зерен, что способствует получению керамики с мелкозернистой структурой.Керамика с мелкозернистой структурой обычно имеет более высокую прочность и ударную вязкость. В некоторых деталях из алюмооксидной керамики, которые должны выдерживать большие внешние силы, например, износостойкие компоненты механического оборудования, добавление оксида кальция может улучшить эксплуатационные характеристики деталей.
2. Армирующие и упрочняющие добавки: повышают вязкость разрушения и снижают хрупкость.
Хотя алюмооксидная керамика имеет высокую твердость, ее прочность относительно низкая, что делает ее склонной к хрупкому разрушению при внешнем воздействии. Появление армирующих и упрочняющих агентов похоже на нанесение слоя "armor" для алюмооксидных керамических компонентов, что может эффективно повысить их прочность и прочность.
карбид кремния(SiC) — это 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 делая керамический компонент менее склонным к разрушению. В подшипниках из оксида алюминия, используемых в условиях высоких нагрузок, добавление карбида кремния может значительно улучшить несущую способность и срок службы подшипников.
Нитрид бора(БН) также является членом семейства укрепляющих и упрочняющих агентов.может улучшить фрикционные характеристики керамики и повысить ее прочность и ударную вязкость. В некоторых компонентах из оксида алюминия, требующих хороших фрикционных характеристик, таких как керамические кольца, используемые для герметизации, добавление нитрида бора может уменьшить трение и износ между компонентами, улучшить эффект герметизации и повысить прочность компонентов, сделав их более долговечными. Однако, если количество добавки превышает 10%, твердость может снизиться, поэтому необходимо сбалансировать смазывающую способность и прочность.
3. Функциональные добавки: регулируют электрические, термические или оптические свойства.
Помимо улучшения основных свойств, функциональные добавки также могут придать алюмооксидным керамическим компонентам некоторые уникальные свойства, отвечающие потребностям различных областей.
(1)Оксиды редкоземельных металлов, такие как лантан и церий, являются "волшебниками" для улучшения электрических свойств. В некоторых компонентах из глиноземной керамики, используемых в области электроники, таких как керамические подложки для высокочастотных схем,Добавление оксидов редкоземельных металлов позволяет регулировать диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь керамики, улучшать ее электрические характеристики,делают их более подходящими для работы в высокочастотных средах и расширяют сферу их применения в области электроники.
(2) Красителиэто ддддхххартистыдддд, которые добавляют цвета компонентам из оксида алюминия и керамики.Красители, такие как оксид хрома и оксид кобальта, могут реагировать с оксидом алюминия, образуя керамику различных цветов.В некоторых керамических изделиях с декоративными требованиями, таких как керамическая посуда и декоративные украшения, добавление красителей может сделать керамические компоненты более красивыми и разнообразными, отвечая эстетическим запросам различных потребителей.
4. Связующие и формовочные добавки: улучшают текучесть порошка и прочность формовки.
В процессе формования керамических компонентов из оксида алюминия связующие и формовочные добавки играют решающую роль. Они подобны группе героев "unsung, которые молча преобразуют порошок оксида алюминия в структурные детали различных форм.
Органические связующие вещества, такие как поливиниловый спирт (ПВА) и полиакрилат, действуют как клей., связывание порошков оксида алюминия вместе во время формования сырого тела для придания сырому телу определенной прочностидля последующей обработки и спекания. Возьмем в качестве примера литье ленты: ПВА может равномерно диспергировать порошки оксида алюминия в растворителе, образуя суспензию с соответствующей вязкостью и текучестью, которая затем отливается в зеленую пленку с помощью процесса литья ленты. После высыхания зеленой пленки связующие, такие как ПВА, сохраняют ее форму и структуру, предотвращая деформацию во время последующей обработки.
К вспомогательным средствам для формования относятся смазочные материалы, диспергаторы и т. д. Смазочные материалы могут уменьшить трение между порошком и формой, минимизировать износ формы и обеспечить равномерную плотность сырого тела.При сухом прессовании добавление соответствующего количества смазки может облегчить заполнение формы порошком, что повысит плотность сырого тела. Диспергаторы,с другой стороны, обеспечить равномерное распределение порошка в суспензии, чтобы избежать агломерации.При литье под давлением диспергаторы играют особенно важную роль, обеспечивая хорошую текучесть суспензии, облегчая ее впрыскивание в форму для формирования керамических изделий сложной формы.
Добавки играют незаменимую роль в процессе производства компонентов из оксида алюминия. Они всесторонне поддерживают производство компонентов из оксида алюминия в различных аспектах, от снижения температуры спекания и повышения производительности до придания уникальных свойств и формования. С непрерывным развитием технологий в будущем могут появиться новые типы добавок, что предоставит больше возможностей для улучшения производительности и расширения применения компонентов из оксида алюминия.