氧化鋁陶瓷的制備與應(yīng)用

1、氧化鋁陶瓷的概述

1.1氧化鋁陶瓷的性質(zhì)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(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)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A(chǔ)l2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，由于其燒結(jié)溫度高達(dá)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(yè)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(jī)械強(qiáng)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(chǎn)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(xì)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(jié)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(jī)粘結(jié)劑應(yīng)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(jié)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(jìn)行處理、使其呈現(xiàn)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(jié)劑。近年來上海某研究所開發(fā)一種水溶性石蠟用作Al2O3噴霧造粒的粘結(jié)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(nèi)外又開發(fā)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(shù)方法。不同的產(chǎn)品形狀、尺寸、復(fù)雜造型與精度的產(chǎn)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(shù)僅限于形狀單純且內(nèi)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(jī)有液壓式、機(jī)械式兩種，可呈半自動或全自動成型方式。壓機(jī)最大壓力為200Mpa，產(chǎn)量每分鐘可達(dá)15～50件。[1]

由于液壓式壓機(jī)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(jī)械式壓機(jī)施加壓力大小因粉體充填多少而變化，易導(dǎo)致燒結(jié)后尺寸收縮產(chǎn)生差異，影響產(chǎn)品質(zhì)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(zhǔn)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(fù)雜的部件，注漿成型的關(guān)鍵是氧化鋁漿料的制備。通常以水為熔劑介質(zhì)，再加入解膠劑與粘結(jié)劑，充分研磨之后排氣，然后倒注入石膏模內(nèi)。由于石膏模毛細(xì)管對水分的吸附，漿料遂固化在模內(nèi)?？招淖{時，在模壁吸附漿料達(dá)要求厚度時，還需將多余漿料倒出。為減少坯體收縮量、應(yīng)盡量使用高濃度漿料。

氧化鋁陶瓷漿料中還需加入有機(jī)添加劑以使料漿顆粒表面形成雙電層使料漿穩(wěn)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(jié)劑及聚丙烯胺、阿拉伯樹膠等分散劑，目的均在于使?jié){料適宜注漿成型操作。

2.3燒成技術(shù)

將顆粒狀陶瓷坯體致密化并形成固體材料的技術(shù)方法叫燒結(jié)。燒結(jié)即將坯體內(nèi)顆粒間空洞排除，將少量氣體及雜質(zhì)有機(jī)物排除，使顆粒之間相互生長結(jié)合，形成新的物質(zhì)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(jié)，即無壓燒結(jié)外，還有熱壓燒結(jié)及熱等靜壓燒結(jié)等。連續(xù)熱壓燒結(jié)雖然提高產(chǎn)量，但設(shè)備和模具費(fèi)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(zhì)，具有各向均勻受熱的優(yōu)點(diǎn)，很適合形狀復(fù)雜制品的燒結(jié)。由于結(jié)構(gòu)均勻，材料性能比冷壓燒結(jié)提高30～50%。比一般熱壓燒結(jié)提高10～15%。此外，微波燒結(jié)法、電弧等離子燒結(jié)法、自蔓延燒結(jié)技術(shù)亦正在開發(fā)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(jié)后，尚需進(jìn)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(xì)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(jìn)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(qiáng)化工藝

為了增強(qiáng)氧化鋁陶瓷，顯著提高其力學(xué)強(qiáng)度，國外新推一種氧化鋁陶瓷強(qiáng)化工藝。該工藝新穎簡單，所采取的技術(shù)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(xué)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(yīng)用

3.1機(jī)械方面

Al2O3陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa，熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa。Al2O3陶瓷的莫氏硬度可達(dá)到9，加上具有優(yōu)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(yè)用閥應(yīng)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(jié)助劑來提高它的斷裂韌性。目前普通燒結(jié)所制備的Al2O3陶瓷晶粒尺寸都在微米級，而細(xì)晶Al2O3陶瓷能夠獲得較高的強(qiáng)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(fù)合Al2O3陶瓷刀具

在復(fù)合陶瓷中，有幾種復(fù)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(qiáng)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(yīng)用最多，與純Al2O3陶瓷相比，Al2O3-碳化物復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度無論是在常溫還是高溫下都優(yōu)于純Al2O3陶瓷。此復(fù)合刀具適合于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強(qiáng)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(jié)金屬，由于添加了金屬，提高了Al2O3與碳化物的連接強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(dāng)ZrO2在1150℃左右時發(fā)生相變時產(chǎn)生體積變化，在基體中誘導(dǎo)出許多裂紋，從而吸收其主裂紋尖端的大部分能量，達(dá)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(yīng)用最廣。

3.2.1 Al2O3透明陶瓷

透明陶瓷按其應(yīng)用可以分為兩大類：透光、透波性應(yīng)用和特種光功能應(yīng)用。

在透光、透波性應(yīng)用方面，有用透明Al2O3陶瓷制造的新型節(jié)能燈具金鹵燈、高強(qiáng)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(diǎn)又具有藍(lán)寶石晶體、石英玻璃的光學(xué)性能，可用于透明裝甲、照明燈具等。[5]

在特種光功能特性應(yīng)用方面，有薄膜發(fā)光材料、高功率全固態(tài)激光器、透明閃爍陶瓷等。薄膜發(fā)光材料中的Al2O3材料，已經(jīng)被證明是最有前景的薄膜發(fā)光材料，這是因?yàn)樗哂懈咄该鳌岱€(wěn)定性好和相對高的發(fā)光亮度等性能。

3.2.2 Al2O3陶瓷基片

Al2O3陶瓷基片具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、避光性高等優(yōu)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(yīng)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(huán)境造成污染且成本較高；水系流延成形較環(huán)保，且成本較低，但工藝較難。

目前，在工業(yè)應(yīng)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(jié)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(jié)溫度，減少能耗。

3.3化工方面

在化工應(yīng)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(jī)微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以Al2O3陶瓷膜和涂層的研究和應(yīng)用最多。

Al2O3陶瓷膜在凈化工業(yè)用水加工、海水淡化、氣體分離、催化反應(yīng)等方面都具有大量的應(yīng)用，因此陶瓷無機(jī)膜日益受到科技界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。Al2O3陶瓷膜的制備方法有很多，有溶膠-凝膠法、固態(tài)粒子燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法、陽極氧化法等。[7]

3.4醫(yī)學(xué)方面

在醫(yī)學(xué)方面，Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工牙齒等。Al2O3陶瓷具有優(yōu)良的生物相容性、生物惰性、理化穩(wěn)定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關(guān)節(jié)的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一樣的缺點(diǎn)如脆性大、斷裂韌性低、機(jī)加工技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜等，因此需要進(jìn)一步研究應(yīng)用。[7]

3.5其它方面

Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、應(yīng)用最廣的材料之一，除了以上的幾種應(yīng)用外，它還廣泛應(yīng)用于其它一些高科技領(lǐng)域，如航空航天、高溫工業(yè)爐、復(fù)合增強(qiáng)等領(lǐng)域。

小結(jié)：

氧化鋁陶瓷材料是應(yīng)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(lǐng)域如機(jī)械加工、醫(yī)學(xué)、航空航天等。而國內(nèi)對氧化鋁材料研究相對較晚，技術(shù)相對落后，且制造業(yè)中生產(chǎn)工藝較落后、裝備不精，所以產(chǎn)品質(zhì)量跟西方發(fā)達(dá)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(yīng)用已迫在眉睫。