氧化鋁陶瓷的類型及性能

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源、空間技術(shù)的發(fā)展，材料需要在比較苛刻情況下使用。例如磁流體發(fā)電的通道材料，既要能耐高溫，又要能經(jīng)受高溫高速氣流的沖刷和腐蝕。空間技術(shù)的發(fā)展（如航天器的噴嘴、燃燒室的內(nèi)襯、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等）對(duì)材料提出了愈來愈高的要求。石油化工、能源開發(fā)等方面的反應(yīng)裝置、熱交換器、核燃料，對(duì)材料的耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性也日益要求嚴(yán)格。由此可見，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷越來越顯得特別重要，其品種的需要也與日俱增。因此，近10年來得到迅速發(fā)展。總之，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有金屬等其他材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，即具有耐高溫、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性和質(zhì)輕等特點(diǎn)。
    高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料早先主要是指氧化物系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展到非氧化物系統(tǒng)以及氧化物與非金屬氧化物的復(fù)合系統(tǒng)等。
    當(dāng)然高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料最大的缺點(diǎn)是脆性，因而受到了一定使用限制。科學(xué)工作者在解決高溫結(jié)構(gòu)陶瓷(high temperature ceramics)材料的脆性方面正不斷進(jìn)行研究和探索。
    氧化物陶瓷(oxide ceramics)是發(fā)展比較早的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，故在各個(gè)有面得到應(yīng)用。

    一、氧化鋁陶瓷的類型及性能
    1．A12 03陶瓷類型
    氧化鋁陶瓷(alumina ceramics)是一種以口-A12 03為主晶的陶瓷材料。其A12 03含量一般在75%—99. 9%之間。通常習(xí)慣以配料中A12 03的含量來分類。A120。含量在75%左右為“75瓷”，含量在85%左右的為“85瓷”，含量在95%左右的為“95瓷”，含量在99%左右的為“99瓷”。
    2．A12 03的晶型
    工業(yè)A12 03是由鋁礬土(A12 03.3Hz O)和硬水鋁石制備的，對(duì)于純度要求不高的A12 03，一般是通過化學(xué)方法來制備。電熔剛玉即是用上述原料加碳在電弧爐內(nèi)于2000—2400℃熔融制得，也稱人造剛玉。
    A12 03有許多同質(zhì)異晶體。根據(jù)研究報(bào)道過的A12 03變體有十多種，但主要有三種，即-y-A12 03、p-A12 03、a-A1203。A12 03的晶型轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2-1-1所示。其結(jié)構(gòu)不同，因此其性量有關(guān)。

    二、A12 03的預(yù)燒質(zhì)也不同，在1300℃以上的高溫幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -A12 03。y-Al2 03屬尖晶石型（立方）結(jié)構(gòu)，氧原子呈立方密堆積，鋁原子填充在間隙中。它的密度小，且在高溫下不穩(wěn)定，機(jī)電性能差，在自然界中不存在。由于是松散結(jié)構(gòu)，因此可利用它來制造多孔特殊用途的材料。
    3-A12 03是一種A120。含量很高的多鋁酸鹽礦物。它的化學(xué)組成可以近似地用RO．6A12 03和RzO·1IA1203來表示(RO指堿土金屬氧化物，RzO指堿金屬氧化物)。其結(jié)構(gòu)由堿金屬或堿土金屬離子如[Na0]-層和LAIii 012]十類型尖晶石單元交疊堆積而成，氧離子排列成立方密堆積，Na+完全包含在垂直于C軸的松散堆積平面內(nèi)，在這個(gè)平面內(nèi)可以很快擴(kuò)散，呈現(xiàn)離子型導(dǎo)電。
    a-Al203屬三方晶系，單位晶胞是一個(gè)尖的菱面體，在自然界只存在a -A12 03，如天然剛玉、紅寶石、藍(lán)寶石等礦物。口-Al2 03結(jié)構(gòu)最緊密、活性低、高溫穩(wěn)定。它是三種形態(tài)中最穩(wěn)定的晶型，電學(xué)性質(zhì)最好，具有優(yōu)良的機(jī)電性能。
    3．Alz 03陶瓷的性質(zhì)
    A12 03陶瓷具有許多優(yōu)良昀性能，因而在世界各國(guó)都得到廣泛的應(yīng)用。
    A12 03陶瓷的硬度為9（莫氏），密度為3.9 g/cm3左右，機(jī)械強(qiáng)度約150 MPa，膨脹系數(shù)與金屬差不多。此外具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。A12 03陶瓷的性質(zhì)與口-A12 03的含
    如前所述，A1zO。的晶型不同，結(jié)構(gòu)也不同，性能各異，而最為穩(wěn)定的是a-A12 03。因此，利用A12 03制成Al：03陶瓷，必須對(duì)A12 03進(jìn)行預(yù)燒(prefiring)，或者叫煅燒。
    1．A12 03預(yù)燒
    預(yù)燒的目的，是使Y-A120。全部轉(zhuǎn)變?yōu)閍-AI：O。，減少燒成收縮。此外，預(yù)燒還可以排除A12 03原料中的Na20，提高原料的純度，從而保證產(chǎn)品的性能。表2-1-1    A12 03陶瓷主要性能
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┃    性能      ┃  測(cè)試條件  ┃  單位      ┃  75瓷    ┃  90瓷      ┃  95瓷      ┃  99瓷        ┃  99.5瓷      ┃
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┃  體積密度    ┃            ┃   g/cm3    ┃  >3. 20  ┃  >3. 40    ┃  >3. 60    ┃     3. 70    ┃     3. 70    ┃
┃  抗彎強(qiáng)度    ┃            ┃   N/mz     ┃1. 96X108 ┃2. 25 X108  ┃2. 24X108   ┃>2. 24X108    ┃>2. 74 X lOs  ┃
┃  線膨脹系數(shù)  ┃ 20～100℃  ┃ X l0-6 /oC ┃      6   ┃            ┃            ┃              ┃              ┃
┃              ┃ 20～500 'C ┃ X 10-6 /oC ┃          ┃6. 3～7. 3  ┃6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃
┃              ┃ 20～800 'C ┃ X 10-6/oC  ┃          ┃ 6. 3～7. 3 ┃6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃
┃  介電常數(shù)    ┃    I MHz   ┃            ┃          ┃8. 5～9. 5  ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃   9～10. 5   ┃
┃              ┃    IO GHz  ┃            ┃          ┃            ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃              ┃
┃  介質(zhì)損耗值  ┃    I MHz   ┃   X 10-6   ┃          ┃    <8      ┃    <4      ┃   <2. 5      ┃  ≤1. 5      ┃
┃    tana      ┃    10 GHz  ┃   x io-6   ┃          ┃            ┃            ┃     <6       ┃              ┃
┃  比體積電阻  ┃     100 0C ┃   fl . cm  ┃   >1012  ┃   >1013    ┃   >1013    ┃    >10'3     ┃    >IO'4     ┃
┃              ┃     300 c  ┃   fl . cm  ┃          ┃   >1015    ┃   >1016    ┃    >1016     ┃    >10'2     ┃
┃              ┃     500 0C ┃  Q . cm    ┃          ┃            ┃   >108     ┃     >log     ┃              ┃
┃  擊穿強(qiáng)度    ┃            ┃  kV/mm     ┃     20   ┃     15     ┃     15     ┃       15     ┃              ┃
┃  導(dǎo)熱系數(shù)    ┃     20 c   ┃W/(m . K)   ┃          ┃    16. 8   ┃    25. 2   ┃     25. 2    ┃     29. 2    ┃
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    從實(shí)際來看，預(yù)燒的方法不同，添加物不同，氣氛不同，效果也不同，預(yù)燒質(zhì)量也不一樣。因此，預(yù)燒足A12 03陶瓷生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)之一。