氧化鋁陶瓷的制備與應用

1、氧化鋁陶瓷的概述

1.1氧化鋁陶瓷的性質及分類

氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁（Al2O3）為主體的陶瓷材料，用于厚膜集成電路。氧化鋁陶瓷有較好的傳導性、機械強度和耐高溫性。?

氧化鋁陶瓷目前分為高純型與普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷系Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，由于其燒結溫度高達1650-1990℃，透射波長為1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝：利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管；在電子工業中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。

普通型氧化鋁陶瓷系按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。

2、氧化鋁陶瓷的制備

2.1粉體的制備

將氧化鋁粉按照不同的產品要求與不同成型工藝制備成粉體材料。粉體粒度在1μm以下，若制造高純氧化鋁陶瓷制品除氧化鋁純度在99.99%外，還需超細粉碎且使其粒徑分布均勻。采用擠壓成型或注射成型時，粉料中需引入粘結劑與可塑劑，一般為重量比在10-30%的熱塑性塑膠或樹脂，有機粘結劑應與氧化鋁粉體在150-200℃溫度下均勻混合，以利于成型操作。

采用熱壓工藝成型的粉體原料則不需加入粘結劑。若采用半自動或全自動干壓成型，對粉體有特別的工藝要求，需要采用噴霧造粒法對粉體進行處理、使其呈現圓球狀，以利于提高粉體流動性便于成型中自動充填模壁。[1]

欲干壓成型時需對粉體噴霧造粒，其中引入聚乙烯醇作為粘結劑。近年來上海某研究所開發一種水溶性石蠟用作Al2O3噴霧造粒的粘結劑，在加熱情況下有很好的流動性。噴霧造粒后的粉體必須具備流動性好、密度松散，流動角摩擦溫度小于30℃。顆粒級配比理想等條件，以獲得較大素坯密度。

2.2成型方法

氧化鋁陶瓷制品成型方法有干壓、注漿、擠壓、冷等靜壓、注射、流延、熱壓與熱等靜壓成型等多種方法。近幾年來國內外又開發出壓濾成型、直接凝固注模成型、凝膠注成型、離心注漿成型與固體自由成型等成型技術方法。不同的產品形狀、尺寸、復雜造型與精度的產品需要不同的成型方法。

2.2.1干壓成型

氧化鋁陶瓷干壓成型技術僅限于形狀單純且內壁厚度超過1mm，長度與直徑之比不大于4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機有液壓式、機械式兩種，可呈半自動或全自動成型方式。壓機最大壓力為200Mpa，產量每分鐘可達15～50件。[1]

由于液壓式壓機沖程壓力均勻，故在粉料充填有差異時壓制件高度不同。而機械式壓機施加壓力大小因粉體充填多少而變化，易導致燒結后尺寸收縮產生差異，影響產品質量。因此干壓過程中粉體顆粒均勻分布對模具充填非常重要。充填量準確與否對制造的氧化鋁陶瓷零件尺寸精度控制影響很大。粉體顆粒以大于60μm、介于60～200目之間可獲最大自由流動效果，取得最好壓力成型效果。

2.2.2注漿成型法

注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形復雜的部件，注漿成型的關鍵是氧化鋁漿料的制備。通常以水為熔劑介質，再加入解膠劑與粘結劑，充分研磨之后排氣，然后倒注入石膏模內。由于石膏模毛細管對水分的吸附，漿料遂固化在模內。空心注漿時，在模壁吸附漿料達要求厚度時，還需將多余漿料倒出。為減少坯體收縮量、應盡量使用高濃度漿料。

氧化鋁陶瓷漿料中還需加入有機添加劑以使料漿顆粒表面形成雙電層使料漿穩定懸浮不沉淀。此外還需加入乙烯醇、甲基纖維素、海藻酸胺等粘結劑及聚丙烯胺、阿拉伯樹膠等分散劑，目的均在于使漿料適宜注漿成型操作。

2.3燒成技術

將顆粒狀陶瓷坯體致密化并形成固體材料的技術方法叫燒結。燒結即將坯體內顆粒間空洞排除，將少量氣體及雜質有機物排除，使顆粒之間相互生長結合，形成新的物質的方法。

燒成使用的加熱裝置最廣泛使用電爐。除了常壓燒結，即無壓燒結外，還有熱壓燒結及熱等靜壓燒結等。連續熱壓燒結雖然提高產量，但設備和模具費用太高，此外由于屬軸向受熱，制品長度受到限制。熱等靜壓燒成采用高溫高壓氣體作壓力傳遞介質，具有各向均勻受熱的優點，很適合形狀復雜制品的燒結。由于結構均勻，材料性能比冷壓燒結提高30～50%。比一般熱壓燒結提高10～15%。此外，微波燒結法、電弧等離子燒結法、自蔓延燒結技術亦正在開發研究中。[2]

2.4 精加工與封裝工序

有些氧化鋁陶瓷材料在完成燒結后，尚需進行精加工。如用作人工骨，要求表面有很高的光潔度、如鏡面一樣，以增加潤滑性。由于氧化鋁陶瓷材料硬度較高，需用更硬的研磨拋光磚材料對其作精加工。如SiC、B4C或金剛鉆等。通常采用由粗到細磨料逐級磨削，最終表面拋光。一般可采用<1μm的Al2O3微粉或金剛鉆膏進行研磨拋光。此外激光加工及超聲波加工研磨及拋光的方法亦可采用。有些氧化鋁陶瓷零件需與其它材料作封裝處理。

2.5 氧化鋁陶瓷強化工藝

為了增強氧化鋁陶瓷，顯著提高其力學強度，國外新推一種氧化鋁陶瓷強化工藝。該工藝新穎簡單，所采取的技術手段是在氧化鋁陶瓷表面，采用電子射線真空鍍膜、濺射真空鍍膜或化學氣相蒸鍍方法，鍍上一層硅化合物薄膜，在1200℃～1580℃的加熱處理，使氧化鋁陶瓷鋼化。[3]

3、氧化鋁陶瓷的應用

3.1機械方面

Al2O3陶瓷燒結產品的抗彎強度可達250MPa，熱壓產品可達500MPa。Al2O3陶瓷的莫氏硬度可達到9，加上具有優良的抗磨損性能等，所以廣泛地用于制造刀具、球閥、磨輪、陶瓷釘、軸承等，其中以Al2O3陶瓷刀具和工業用閥應用最廣。

3.1.1純Al2O3陶瓷刀具

純Al2O3陶瓷刀具是指僅含有少量氧化物的高純Al2O3陶瓷，其中Al2O3的純度大于99%。在純Al2O3陶瓷中，可以添加ZrO2作為燒結助劑來提高它的斷裂韌性。目前普通燒結所制備的Al2O3陶瓷晶粒尺寸都在微米級，而細晶Al2O3陶瓷能夠獲得較高的強度和斷裂韌性以及較好的高溫性能，是制備純Al2O3陶瓷刀具的理想材料。

3.1.2復合Al2O3陶瓷刀具

在復合陶瓷中，有幾種復合方向：Al2O3-碳化物陶瓷刀具、Al2O3-碳化物-金屬陶瓷刀具、Al2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。Al2O3-碳化物陶瓷刀具，是在Al2O3中添加一定的碳化物，以提高它的強度、耐磨性、抗沖擊性以及高溫性能等。[4]

在添加物中，以添加TiC的應用最多，與純Al2O3陶瓷相比，Al2O3-碳化物復合陶瓷的抗彎強度無論是在常溫還是高溫下都優于純Al2O3陶瓷。此復合刀具適合于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強度鋼等難加工材料。Al2O3-碳化物-金屬陶瓷刀具，它是在Al2O3中除了添加碳化物外，還添加少量的粘結金屬，由于添加了金屬，提高了Al2O3與碳化物的連接強度，改善了使用性能，此類陶瓷刀具適合于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料等。

它是目前精加工冷硬鑄鐵軋輥的最佳刀具，并且可以應用于間斷切削和有切削液的切削場合。

3.1.3增韌Al2O3陶瓷刀具

增韌Al2O3陶瓷刀具是指在Al2O3基體中添加增韌或增強材料。目前常用的增韌方法有：ZrO2相變增韌、晶須增韌、第二相顆粒彌散增韌等。ZrO2相變增韌是一種有效的增韌方式，當ZrO2在1150℃左右時發生相變時產生體積變化，在基體中誘導出許多裂紋，從而吸收其主裂紋尖端的大部分能量，達到增韌的目的。利用微米級或亞微米級ZrO2相變增韌Al2O3制成的Al2O3陶瓷刀具，可以有效改善刀具的斷裂韌性。

3.2電子、電力方面

在電子、電力方面，有各種Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各種Al2O3陶瓷電絕緣瓷件、電子材料、磁性材料等，其中以Al2O3透明陶瓷和基片應用最廣。

3.2.1 Al2O3透明陶瓷

透明陶瓷按其應用可以分為兩大類：透光、透波性應用和特種光功能應用。

在透光、透波性應用方面，有用透明Al2O3陶瓷制造的新型節能燈具金鹵燈、高強度透明裝甲材料、紅外透波材料等，這些材料是民用和國防裝備中的重要材料。MgAl2O4透明陶瓷就是屬于這類材料，它既具有陶瓷的特點又具有藍寶石晶體、石英玻璃的光學性能，可用于透明裝甲、照明燈具等。[5]

在特種光功能特性應用方面，有薄膜發光材料、高功率全固態激光器、透明閃爍陶瓷等。薄膜發光材料中的Al2O3材料，已經被證明是最有前景的薄膜發光材料，這是因為它具有高透明、熱穩定性好和相對高的發光亮度等性能。

3.2.2 Al2O3陶瓷基片

Al2O3陶瓷基片具有機械強度高、絕緣性好、避光性高等優良性能，廣泛用于多層布線陶瓷基片、電子封裝及高密度封裝基片。在制備Al2O3陶瓷基片中常用的成形方法有干壓、流延等，而流延成形是目前應用最廣的成形方法。流延成形分為非水系和水系：非水系流延成形工藝簡單，但會對環境造成污染且成本較高；水系流延成形較環保，且成本較低，但工藝較難。

目前，在工業應用中大部分都采用非水系流延成形Al2O3陶瓷基片，利用非水系流延成形可以制備表面光滑、平整、致密度高的Al2O3陶瓷基片，但在制備工藝中，基片的燒結溫度高、耗能大。[6]因此可以在Al2O3陶瓷基片中加入一些添加劑以降低燒成溫度，如加入Fe-Cr-Mn系黑色色料來制備黑色Al2O3陶瓷基片，可以在其它性能一致的條件下有效地降低Al2O3陶瓷基片的燒結溫度，減少能耗。

3.3化工方面

在化工應用方面，Al2O3陶瓷也有較廣泛的用途，如Al2O3陶瓷化工填料球、無機微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以Al2O3陶瓷膜和涂層的研究和應用最多。

Al2O3陶瓷膜在凈化工業用水加工、海水淡化、氣體分離、催化反應等方面都具有大量的應用，因此陶瓷無機膜日益受到科技界與工業界的廣泛關注。Al2O3陶瓷膜的制備方法有很多，有溶膠-凝膠法、固態粒子燒結法、化學氣相沉積法、陽極氧化法等。[7]

3.4醫學方面

在醫學方面，Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工關節、人工牙齒等。Al2O3陶瓷具有優良的生物相容性、生物惰性、理化穩定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關節的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一樣的缺點如脆性大、斷裂韌性低、機加工技術難度高、工藝復雜等，因此需要進一步研究應用。[7]

3.5其它方面

Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、應用最廣的材料之一，除了以上的幾種應用外，它還廣泛應用于其它一些高科技領域，如航空航天、高溫工業爐、復合增強等領域。

小結：

氧化鋁陶瓷材料是應用較多的陶瓷材料之一。國外對氧化鋁材料的研究起步較早，尤其是在科技含量高的領域如機械加工、醫學、航空航天等。而國內對氧化鋁材料研究相對較晚，技術相對落后，且制造業中生產工藝較落后、裝備不精，所以產品質量跟西方發達國家相比還是存在一定的差距。因此，提高我國氧化鋁材料的研究水平及大力推廣氧化鋁材料的應用已迫在眉睫。