氧化鋁陶瓷基復合材料

1、氧化鋁陶瓷基復合材料金材金材091091班班 吳海優(yōu)吳海優(yōu)090601128090601128性能發(fā)展應用成型技術(shù)陶瓷及復合材料性能AI 203陶瓷性能簡介氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產(chǎn)量最大的陶瓷材料。據(jù)研究報道，Al20。有12種同質(zhì)多晶變體 ，但應用較多的主要有3種， 即A1203、AI 203和A120。，這3種晶體的結(jié)構(gòu)不同，故它們的性質(zhì)具有很大的差異f2。(1) A1zO3A12O3是三方晶系，單位晶包是一個尖的菱面體，密度為396401gcm。，其結(jié)構(gòu)最緊密、化學活性低、高溫穩(wěn)定性好、電學性能優(yōu)良并且機械性能也最佳在一定條件下可以由其它的兩種晶體轉(zhuǎn)換而來。(2)

2、A1203A1203。是一種A1203含量很高的多鋁酸鹽礦物，密度為33O363gcm。，它的化學組成中含有一定量的堿土金屬氧化物和堿金屬氧化物。并且還可以呈現(xiàn)離子型導電。(3) A1203A1 0。是尖晶石型立方結(jié)構(gòu)， 密度為342氧化鋁陶瓷基復合材料347gcm。它的氧原子呈立方緊密堆積。鋁原子填充在間隙中，這就決定了它在高溫下不穩(wěn)定、力學和電學性能差的缺陷，在科學應用中很少單獨制成材料使用。但它有較高的比表面積和較強的化學活性，經(jīng)過技術(shù)改進可以作為吸附材料使用。氧化鋁陶瓷基復合材料在制備A1203原料方面，如果對于純度要求不高的Al203，一般是通過化學方法來制備。以鋁土礦為原料，通過燒

3、結(jié)、溶出、脫硅、分解、煅燒等步驟，把鋁土礦中的A1203成分溶解于氫氧化鈉(NaOH)溶液中，將得到的偏鋁酸鈉(NaAIO )溶液，冷卻至過飽和態(tài)，加水分解就會析出氫氧化鋁(A1(OH)。)沉淀，再將它煅燒即可得到Al20。但在制備高純度Al20s原料時一般氧化鋁陶瓷基復合材料采用有機鋁鹽加水熱分解法、鋁的水中放電氧化法、鋁的硫酸鹽和氨碳酸鹽熱分解法、銨明礬熱分解法等b。目前國內(nèi)外大多數(shù)學者都采用銨明礬熱分解法，因為此方法制備的Al 203純度高、細度小(約1 m以下)，且顆粒分布范圍窄、團聚程度輕。氧化鋁陶瓷具有機械強度高、電阻率高、電絕緣性好、硬度和熔點高、抗腐蝕性好、化學穩(wěn)定性優(yōu)良等性能

4、， 而且在一定條件下具有良好的光學性和離子導電性?；贏l 203陶瓷的一系列優(yōu)良性能，其廣泛應用于機械、電子電力、化工、醫(yī)學、建筑以及其它的高科技領域， 本文對A1203陶瓷在以上6個方面的應用進行了闡述。A120陶瓷的應用21機械方面A12O3瓷燒結(jié)產(chǎn)品的抗彎強度可達250MPa， 熱壓產(chǎn)品可達500MPa。Al203陶瓷的莫氏硬度可達到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Al203陶瓷刀具和工業(yè)用閥應用最廣。A123陶瓷刀具在金屬切削過程中，刀具起著主導作用。由于刀具材料的性能不同，其切削性能相差很大。A1 203陶瓷刀具由于具有硬度

5、高、高溫力學性能強、耐磨性能好、化學穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點，大量應用于硬切割、高速干切割、超高速切割等一些難加工材料的切割。A1 203陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬質(zhì)合金刀具高，可大幅提高對不同材料的切削效率。隨著科學工作者的大量研究，在制備陶瓷刀具中實現(xiàn)了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制， 以及添加其它成分構(gòu)成兩相或以固溶體形式存在于基體之中的Al 2O3基復合陶瓷和晶須增強陶瓷。這些技術(shù)彌補了純Al2O3陶瓷的不足，從而提高了它的切削性能和耐用度。純A1 陶瓷刀具純A1 0。陶瓷刀具是指僅含有少量氧化物的高純Al20s陶瓷，其中Al：03的純度大于99。在純A120。陶瓷中，

6、可以添加ZrO 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Al20。陶瓷晶粒尺寸都在微米級，而細晶Al20。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Al。0。陶瓷刀具的理想材料。解決這一問題的有效途徑是：制備出粒徑尺寸在lOOnm以下單分散的ohl。0。粉，利用納米QA120。的高活性，再運用先進的燒結(jié)技術(shù)在較低的溫度下得到細晶A1203陶瓷 有時也可以加入MgO或Y O3來抑制晶粒長大，起到細化晶粒的作用_8。純Al 。陶瓷刀具高溫性能、耐磨損性較好，但抗彎強度較低、抗沖擊能力差，目前它越來越多被各種復合A1。O。陶瓷刀具所替代。復合Al203陶瓷刀具Al20

7、3一碳化物陶瓷刀具，是在Al203中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、Mo2C、Cr3C2等)，以提高它的強度、耐磨性、抗沖擊性以及高溫性能等.在添加物中， 以添加TiC的應用最多， 與純Al 203。陶瓷相比，Al203一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(yōu)于純Al 203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。A120一碳化物一金屬陶瓷刀具，它是在Al203中除了添加碳化物外，還添加少量的粘結(jié)金屬(如Ni、Mo、Co、w等)o3，由于添加了金屬，提高了Al 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

8、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。增韌Al2O3陶瓷刀具增韌Al 陶瓷刀具是指在Al203?；w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(fā)生相變時產(chǎn)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Al203制成的Al203陶瓷刀具，可以有效改善刀具的斷裂韌性。晶須增韌是利用晶須的加強棒作用，常用的晶須

9、有TiC、SiC、Si 等。用晶須增韌Al203陶瓷刀具顯示出更為優(yōu)越的抗裂紋擴展能力和抗循環(huán)熱震性能，它具有強度高、硬度高、導熱性好等優(yōu)點14-15。第二相顆粒彌散增韌主要是利用彌散顆粒和基質(zhì)材料膨脹系數(shù)和彈性模量的不匹配在材料內(nèi)部形成殘余應力，以達到增韌的目的。第二相顆粒一般使用SiC、TiC等，彌散增韌可以提高刀具的抗斷裂性，從而使Al203陶瓷的韌性明顯提高。A1203工業(yè)用閥目前，閥門種類繁多氧化鋁工業(yè)用閥常用的是旋塞閥、閘閥、截止閥、球閥等1引。旋塞閥：它廣泛地應用于油田開采、輸送和精練設備中。同時也廣泛用于石油化工、煤氣、天然氣、液化石油氣、暖通行業(yè)以及一般工業(yè)中。閘閥、截止閥：

10、它可廣泛用于自來水、污水、建筑、石油、化工、食品、醫(yī)藥、輕紡、電力、船舶、冶金、能源系統(tǒng)等體管線上作為調(diào)節(jié)和截流裝置使用。球閥：球閥的主要特點是本身結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、密封面與球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕，易于操作和維修，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質(zhì)，而且還適用于工作條件惡劣的介質(zhì)，如氧氣、過氧化氫、甲烷和乙烯等，在各行業(yè)得到廣泛的應用。電子、電力方面在電子、電力方面，有各種Al203陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各種Al203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?；し矫嬖诨梅矫?，A1203陶瓷也有較廣泛

11、的用途，如Al203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。A1203陶瓷膜陶瓷膜與有機高分子膜相比有以下特點：(1)耐高溫、熱穩(wěn)定性好，在高溫下仍能保持其性能不變：(2)高強度，在很大壓力梯度操作下，不會被壓縮或產(chǎn)生蠕變機械性能好；(3)化學穩(wěn)定性好，能耐強酸強堿溶液、有機溶劑和氯化物腐蝕，并且不被微生物降解；(4)可反復使用，易清潔；制備時孔徑大小和孔徑尺寸分布容易控制2引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(yè)界的廣泛關(guān)注。A1203陶瓷膜的制備方法有很多，

12、有溶膠一凝膠法、固態(tài)粒子燒結(jié)法、化學氣相沉積法、陽極氧化法等。(1)溶膠一凝膠法是制備A1203陶瓷膜的一種有效方法，一般它是在多孔陶瓷支撐體(如堇青石、QA1203。等)上制備負載型均勻微孔的陶瓷膜；(2) 固態(tài)粒子燒結(jié)法，它首先將Al203研磨成細粉，經(jīng)篩分及水力沉降分級制成懸浮液，再加無機粘結(jié)劑等，經(jīng)成形、燒結(jié)制成陶瓷膜：(3)化學氣相沉積法是使反應產(chǎn)物蒸汽形成很高的過飽和蒸汽壓，然后自動凝聚成大量的晶核。晶核長大沉積在基體材料上即制得陶瓷膜 (4) 陽極氧化法， 它是以高純度的合金為陽極，并使一側(cè)表面與酸性電解質(zhì)(如硫酸、草酸等)接觸，通過電解作用在表面形成微孔Al203膜，然后去除未

13、被氧化的鋁載體和阻擋層。便得到孔徑均勻、孔道與膜平面垂直的微孔Al203膜醫(yī)學方面在醫(yī)學方面，Al203更多的是用于制造人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工牙齒等。Al203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如脆性大、斷裂韌性低、機加工技術(shù)難度高、工藝復雜等，因此需要進一步研究應用。羥基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，其優(yōu)良的骨傳導作用已被很多的研究結(jié)果所驗證，是目前最有前景的陶瓷人工骨材料，但是純羥基磷灰石的力學性能較差，難以作為承重骨的替代材料 。Al2O3一羥基磷灰石人工骨材料在人骨修復領域有著大量

14、的應用。在臨床骨科手術(shù)中，骨缺損常常需要大量的修復材料。目前常見的修復材料有自身骨、異體骨和人工合成材料等。自身骨移植雖無免疫排斥、效果好。但取材有限：異體骨移植則容易引起免疫排斥，且修復效果差；人工合成材料，它們基本上都是降解材料，所以不能修復缺損區(qū) 。因此尋求具有良好的物化性質(zhì)、生物特性的生物材料作為骨移植材料，已成為研究的熱點。A1 203一羥基磷灰石人工骨材料正解決了這些問題，它具有穩(wěn)定的物化性能，其硬度、抗彎強度、斷裂韌性均已接近人體骨 況且常規(guī)消毒不會改變其生物特性建筑衛(wèi)生陶瓷方面在建筑衛(wèi)生陶瓷方面，A1203產(chǎn)品隨處可見如A1 03陶瓷襯磚、研磨介質(zhì)、輥棒、陶瓷保護管以及A120

15、3質(zhì)耐火材料等。其中以Al203球磨介質(zhì)應用最廣。A1203球磨介質(zhì)物化性能優(yōu)異、價格較低，在球磨介質(zhì)中占據(jù)了一定的地位。但其韌性不及其它球磨介質(zhì)，這就限制了它的進一步應用，因此國內(nèi)外科研工作者對A12o。球磨介質(zhì)增韌機理和技術(shù)進行了大量研究，考慮到成本問題及增韌的操作性，目前最有成效的增韌方法是利用相變增韌機理，在A1203中添加Zro2得到ZrO 增韌A1203球磨介質(zhì)，解決了A1203球磨介質(zhì)的韌性問氧化鋁復合材料的成型技術(shù)氧化鋁復合材料用機械球磨混料+固相燒結(jié)這種比較傳統(tǒng)的合成方法合成,近幾年，只有一些研究人員對化學合成制粉法、微波燒結(jié)、熱等靜壓等新型制備技術(shù)進行探索，但基本上還處于起步階段，有待完善4。其中，化學合成制粉法又分為很多種，如溶膠-凝膠(Sol-gel)法、共沉淀法、燃燒法等，用這些方法獲得的微細粉可以在一定程度上降低燒結(jié)溫度。王輝等選用活性較大的前驅(qū)物氫氧化釹Nd(OH)3、四氯化鈦（TiCl4），用水熱法在300條件下合成了純的鋇釹鈦體系（Ba6-3xNd8+2xTi18O54）粉末，壓片成型后坯體燒結(jié)溫度為12