超低钠小原晶α氧化铝的陶瓷烧结性能研究

＊秦念勇 齐波 冯晓明

（中铝山东有限公司 山东 255051）

1.前言

氧化铝陶瓷广泛应用于机械、冶金、化工、能源、环保、航天航空、电子、半导体及国防军工等领域[1-3]。氧化铝陶瓷按氧化铝含量的多少可分为92瓷、95瓷和99瓷等[4]。现今氧化铝先进陶瓷技术向着精细化、小型化、低温烧结的方向发展。以99瓷及99以上瓷为代表的特种结构陶瓷具有可低温烧结、表面抛光效果佳、成瓷机加工性能和微观组织结构优良、成瓷晶粒细小致密及机械性能高等特点，是当今氧化铝特种精细陶瓷技术研究的热点[5-7]。

氧化铝先进陶瓷技术的发展需要优异的α氧化铝粉体原料作为重要支撑，粉体特性直接影响陶瓷的成型及烧结工艺，进而影响陶瓷制品的显微结构和综合性能[8-9]。制备99氧化铝陶瓷及99以上氧化铝陶瓷需要纯度高、煅烧活性好、原晶粒度细小、晶粒形貌规则整齐的α氧化铝粉体作为原料[10]。

目前国内99瓷生产厂家多采用进口低钠微晶α氧化铝粉体作为原料，所得产品可以满足高端应用的不同严苛需求。例如，国内某厂家以国外M公司低钠小原晶产品LS-711C为原料（Na2O含量为0.05%，原晶粒度为0.5μm）干压成型后经1600℃烧结所得陶瓷的烧结密度为3.94g/cm3，具有优良的烧结性能，受到先进陶瓷应用市场的推崇。国内同类产品的研发、生产起步较晚，一直以来与国外先进水平存在较大差距。作为国内α氧化铝行业的领军者，国内某公司（S公司）经过多年的技术积淀与努力，成功开发出高烧结活性的超低钠小原晶α氧化铝产品，性能接近国外先进水平。

本文以S公司开发的超低钠小原晶α氧化铝为原料，详细探究了原晶粒度（一次粒子大小）、化学纯度、粒度大小和烧结温度对氧化铝陶瓷烧结性能的影响。

2.实验原料和方法

(1)实验原料

本文所用原料包括S公司的超低钠小原晶α氧化铝（编号AO-1，如图1所示）和其它四种不同化学纯度、不同原晶粒度的小原晶产品（编号AO-2～AO-5）。表1列出了所用粉体的理化指标。

图1 AO-1超低钠小原晶α氧化铝的SEM照片

表1 不同超低钠小原晶α氧化铝粉体的理化指标

(2)试验方法

将待测小原晶α氧化铝样品，用砂磨机湿磨处理，料浆110℃烘干，烘干微粉掺加适量比例的粘结剂、脱模剂，经均化、筛分、陈化、压制成型，成型压力60MPa，压实试块为φ30mm的圆柱体，经高温陶瓷烧结，制备陶瓷试块。

陶瓷试块制备的工艺技术特点为低成型压力、快速提温烧结，以提高陶瓷试块的烧结敏感性。陶瓷烧结制度工艺如图2所示。

图2 陶瓷烧结制度工艺图

(3)性能测试及表征方法

采用扫描电镜测定小原晶α氧化铝的原晶粒度，X射线衍射仪测定α相含量，马尔文激光粒度仪测定粉磨处理后的小原晶α氧化铝的粒度分布，使用游标卡尺测量样品烧结前后的尺寸，计算烧结线收缩率；使用静水力学天平测量烧结前后陶瓷试样的质量，计算体积密度。

3.结果与分析

(1)原晶粒度对陶瓷烧结性能的影响

分别对比了Na2O含量为0.02%，原晶粒度为0.2～0.5μm、0.6～0.8μm，以及Na2O含量为0.05%，原晶粒度为0.2～0.5μm、0.6～0.8μm的产品，探讨原晶粒度对陶瓷烧结性能的影响。不同样品按照相同的陶瓷试块制备工艺备样，测定1600℃煅烧后的陶瓷烧结性能，结果如表2所示。

表2 不同原晶粒度的低钠小原晶α氧化铝的陶瓷烧结性能

表2结果表明低钠小原晶α氧化铝原晶粒度对陶瓷烧结性能有着较为显著的影响。原晶越小，坯体的压实密度越小，烧结密度越大，收缩率越大。这是由于随着原晶的减小，它的表面积增大，相同压力下氧化铝陶瓷粉体堆积密度减小，导致坯体的压实密度越小；陶瓷烧结致密化的推动力是颗粒的表面能，原晶越小，表面能越大，颗粒紧密接触，可较大程度缩短高温下质点的迁移距离，加快质点的扩散，增加质点相对移动和相互结合的能力，烧结后陶瓷更致密，相应的收缩率越大[11]。原晶粒度0.2～0.5μm的小原晶产品具有优良的陶瓷烧结活性。

(2)化学纯度对陶瓷烧结性能的影响

分别对比了三种原晶粒度相近（皆为0.2 ～0.5μm），化学纯度不同（Na2O含量分别为0.02%、0.05%、0.10%）的小原晶α氧化铝，经过相同的陶瓷试样制备工艺处理，测试了它们1600℃煅烧后的陶瓷烧结性能，结果如表3所示。

表3 不同化学纯度的低钠小原晶α氧化铝的陶瓷烧结性能

从表3的结果可以看出，不同Na2O含量对陶瓷的压实密度基本没有影响，但对烧结密度影响较大。随着小原晶α氧化铝Na2O含量的上升，陶瓷烧结密度逐渐下降，烧结线收缩率也下降，尤其是Na2O含量为0.1%的样品，下降趋势更为明显。这是由于高温下Na2O和Al2O3的结合能力很强，1个Na2O和11个Al2O3结合生成Na2O·11Al2O3，俗称β氧化铝，即使存在少量Na2O，也会形成大量β氧化铝，其结构为松散的层状结构，从而影响氧化铝陶瓷的致密性[12]。对于用作先进陶瓷原料的小原晶α氧化铝，Na2O含量越低越好。

(3)粉体粒度分布对陶瓷烧结性能的影响

以S公司的超低钠小原晶α氧化铝，统一砂磨处理条件，控制不同砂磨时间，得到不同粒度大小及分布的微粉样品，经过相同的陶瓷试样制备工艺处理，测试了它们1600℃煅烧后的陶瓷烧结性能，结果如表4所示。

表4 不同粒度分布的低钠小原晶α氧化铝的陶瓷烧结性能

从表4的结果看，超低钠小原晶α氧化铝粉体粒度分布对它的陶瓷烧结性能有显著的影响。粉体粒度越细，它的压实密度越小，陶瓷烧结密度更高，相应的烧结收缩率更大。当超低钠小原晶α氧化铝被粉磨加工到接近其原晶粒度大小时，烧结密度达到理论烧结密度（3.984g/cm3）的99.5%以上。超低钠小原晶α氧化铝原粉颗粒由若干个一次粒子附聚而成，经过超细粉磨处理后的粉体由硬团聚体及软团聚体组成。软团聚体是高表面能一次粒子的假性团聚体，在压制成型过程中轻易被打开；硬团聚体是尚未完全打开的一次粒子附聚体，压制成型时被残留在坯体中。陶瓷烧结时由于硬团聚体的存在降低了烧结活性，最终无法得到高的烧结密度[13]。因而，超低钠小原晶粉体在用作99瓷原料时，尽可能充分超细粉磨至原晶粒度，并且粒度分布要均匀集中。

(4)烧结温度对陶瓷烧结性能的影响

将S公司的超低钠小原晶α氧化铝，砂磨处理至粉体粒度（D50）为1.099μm，经过陶瓷试样制备，以相同烧成制度分别在1540℃、1580℃、1600℃、1620℃、1650℃下烧结成瓷，测定超低钠小原晶α氧化铝适宜的陶瓷烧成温度，结果如表5所示。

表5 不同烧结温度下的陶瓷烧结性能

从表5结果看，当陶瓷烧结温度达到1540℃时，烧结密度达到理论烧结密度的97.8%，呈现出较为优良的陶瓷烧结活性；当煅烧温度达到1600～1620℃时，烧结密度达到理论烧结密度的99.5%以上；继续升高至1650℃，烧结密度反而降低。这是由于随着烧结温度升高，晶界迁移和晶界扩散速率加快，当达到适宜陶瓷烧结温度时，晶界迁移与扩散速率达到最大，此时陶瓷坯体致密化程度最高；继续升温，晶界扩散缓慢，导致晶粒发生异常长大，陶瓷致密性反而降低[14]。超低钠小原晶粉体在用作99瓷原料时，可以实现1600～1620℃的低温陶瓷烧结，大大降低了陶瓷烧结成本。

4.结论

超低钠小原晶α氧化铝粉体原晶粒度、Na2O含量、粉体粒度分布、烧结温度等因素对陶瓷烧结性能影响较大。原晶粒度越小、Na2O含量越低、粉体粒度越细，氧化铝陶瓷越致密，陶瓷烧结性能越佳。

国内某公司的超低钠小原晶α氧化铝，Na2O含量为0.02%，原晶粒度0.2～0.5μm，当粉体超细粉磨至接近原晶粒度时，在1600～1620℃下可以实现陶瓷烧结，烧结密度达到理论烧结密度的99.5%以上，具有优良的陶瓷烧结活性。