纳米氧化铝陶瓷低温烧结等性能的研究

《纳米陶瓷材料应用技术》  2013年05月第08期    王航

由于氧化铝陶瓷坯体熔点高，烧结温度高达1800℃，较难烧结，大大消耗了能源，因此，实现氧化铝快速低温烧结是降低氧化铝陶瓷能耗和生产成本的关键。一般情况下，加入某种添加剂，则可以改善烧结性能，促进烧结。

预烧氧化铝结构陶瓷时，通常要加入适量的添加物，如硼酸盐，氟化物、高纯纳米Al2O3（VK-L30）等，这些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，但是耐高温性能、绝缘性能、机械强度下降；氟化物可促进晶型转变，且收缩大、活性好，由于是外来杂质，引入杂质离子，降低了陶瓷质量；高纯纳米氧化铝（VK-L30）降低烧结温度、白度好、纯度高、抗摔性强。

结构陶瓷件中，对高纯纳米Al2O3的要求也很高，以醇盐法生产的高纯纳米Al2O3（VK-L30）效果最佳，其中纯度4N-5N，粒度小于50nm，比表10-20。

氧化铝陶瓷的烧结是通过表面张力来使物质迁移而得到实现。高温氧化物较难烧结, 主要是它们有较大的晶格能和较稳定的结构状态。质点迁移需要较高的活化能, 即活性较低。采用纯度高，粒径小, 比表面积大, 表面活性高的单分散超细Al2O3粉料, 由于颗粒间扩算距离短, 只需要较低的烧结温度和烧结活化能。可通过换算知, 如果氧化铝尺寸能降低到30nm 以下, 则烧结温度能降低到1000 度以下。另外, 氧化铝颗粒粒度的分布范围要尽可能的窄, 颗粒均匀，如果极细的颗粒中间夹杂着个别大颗粒, 烧结得到的产品性能很差。

案例一：广东某陶瓷厂，烧结氧化铝陶瓷过程中，能耗高一直非常头疼，用普通的氧化铝一直不能降低烧结温度和降低能耗。加入1-5%的高纯纳米氧化铝（VK-L30） ，可以使Al2O3瓷的烧结温度降低50-150℃ ，增加韧性、白度、纯度，不易碎瓷，并且大大节约能源，大大提高了产品质量。

从下图的实验对比可以看出，添加高纯纳米氧化铝（VK-L30）5%后，收缩率达到19%，对氧化铝陶瓷的烧结有较好的的作用，促进氧化铝陶瓷的致密化。

案例二：江苏某精细陶瓷厂，一直做高质量结构陶瓷对原料筛选极其严格，试用了国内外各种氧化铝粉，只有纳米氧化铝（VK-L30）符合要求。纳米氧化铝（VK-L30）呈球形，颗粒间团聚度小，能显著促进氧化铝陶瓷的烧结，有利于改善氧化铝陶瓷的成型工艺，降低原料成本和烧成温度。

图为 胆碱水解法做的氧化铝电镜图

图为 硫酸铝铵热解法做的氧化铝电镜图

图为醇盐法做的纳米氧化铝（VK-L30）电镜图

从以上图中可以看出，醇盐法做的纳米氧化铝（VK-L30）粒径细，均匀分布，呈球形，颗粒间团聚小、易分散，具有很好的烧结活性。

案例三：山东某精细瓷件厂做出来的氧化铝陶瓷的机械强度不好，后来经过反复实验发现，纳米Al2O3纯度越高，强度愈高。添加了纳米氧化铝（VK-L30）做出来的陶瓷件强度在高温下可维持到900℃。并且使用纳米氧化铝（VK-L30）后陶瓷件的白度好、纯度高、抗摔性强。