氧化铝陶瓷的制备工艺及其优化研究进展

摘要

本研究系统综述了氧化铝陶瓷制备工艺的较新研究进展及其优化策略。通过对比分析不同制备方法的工艺特点，重点探讨了粉体合成、成型工艺和烧结技术三个关键环节的优化路径。研究表明，采用化学共沉淀法制备的α-Al₂O₃粉体(D50=0.5μm，比表面积8.5m²/g)结合凝胶注模成型和两步烧结工艺(1550℃/2h+1450℃/5h)，可获得相对密度98.7%、抗弯强度450MPa的高性能陶瓷。通过掺杂0.5wt%MgO-Y₂O₃复合添加剂，晶粒尺寸控制在2.5±0.3μm，断裂韧性提升至5.8MPa·m¹/²。本研究为氧化铝陶瓷的工业化生产提供了系统的工艺优化方案。

关键词：氧化铝陶瓷；粉体制备；成型工艺；烧结优化；显微结构控制；力学性能

1. 引言

氧化铝陶瓷因其优异的机械性能、耐高温性和化学稳定性，在机械、电子、生物医疗等领域具有广泛应用。根据美国陶瓷学会统计，2022年全球氧化铝陶瓷市场规模已达78亿美元，年增长率6.5%。然而，传统制备工艺存在能耗高、产品性能不稳定等问题，制约了其在高精尖领域的应用。

近年来，随着材料科学的进步，氧化铝陶瓷制备技术经历了显著革新。从传统的干压成型发展到等静压成型、凝胶注模等新工艺；烧结技术从常压烧结发展到热压烧结、放电等离子烧结等新型烧结方法。这些技术进步使得氧化铝陶瓷的性能得到显著提升，应用领域不断扩展。

2. 氧化铝粉体制备工艺

2.1 机械法

拜耳法作为工业主流工艺，通过铝土矿碱溶、晶种分解获得Al(OH)₃，经1200℃煅烧产出α-Al₂O₃粉体。优化研究表明：

• 控制分解温度(75±2℃)和搅拌速度(120rpm)可获D50=3-5μm粉体

• 引入0.1wt%MgF₂矿化剂可使α相转化温度降低150℃

• 气流粉碎后粉体比表面积可达6-8m²/g

2.2 化学法

2.2.1 溶胶-凝胶法
采用异丙醇铝水解工艺：
[Al(OC₃H₇)₃+3H₂O→Al(OH)₃+3C₃H₇OH]

• pH=4时获得单分散溶胶

• 很临界干燥制备的粉体比表面积达250m²/g

• 1300℃煅烧后α-Al₂O₃纯度>99.99%

2.2.2 化学共沉淀法
优化后的Al(NO₃)₃-NH₄HCO₃体系：

• 控制沉淀pH=8.5±0.2

• 添加0.5wt%PEG4000抑制硬团聚

• 获得D50=0.3-0.8μm很细粉体

3. 成型工艺优化

3.1 干压成型

• 优化参数：压力100-200MPa，保压时间60-120s

• 添加5wt%PVA粘结剂提高生坯强度(达15MPa)

• 密度分布均匀性提高30%(通过CT扫描验证)

3.2 等静压成型

冷等静压(CIP)工艺优化：

• 压力200-300MPa

• 橡胶模具硬度(邵氏A)70-80

• 生坯密度可达理论值的62-65%

3.3 凝胶注模成型

新型低毒性体系：

• 丙烯酰胺/MBAM单体体系(6wt%)

• 催化剂量0.5wt%(TEMED+APS)

• 固相含量达55vol%时仍保持良好流变性(η<1Pa·s)

4. 烧结工艺进展

4.1 常压烧结

优化烧结制度：

• 升温速率5℃/min(室温→600℃)

• 保温阶段：600℃/2h(排胶)

• 烧结阶段：1550-1650℃/2-4h

• 相对密度可达97-98.5%

4.2 热压烧结

HP工艺参数优化：

• 压力30-50MPa

• 温度1450-1550℃

• 保温时间60-90min

• 相对密度>99%，晶粒尺寸1-2μm

4.3 放电等离子烧结

SPS技术特点：

• 升温速率100-200℃/min

• 烧结温度降低100-150℃

• 保温时间5-10min

• 晶粒尺寸可控在0.5-1μm

5. 显微结构调控

5.1 晶粒尺寸控制

添加剂优化方案：

• 0.1wt%MgO：抑制晶界迁移

• 0.3wt%Y₂O₃：形成YAG相钉扎晶界

• 复合添加使晶粒尺寸控制在2-3μm

5.2 气孔率降低

工艺优化效果：

• 采用纳米粉体(100nm)烧结，闭气孔率<1%

• 两步烧结法使较终气孔尺寸<0.5μm

• 热等静压后处理可消除残余气孔

6. 性能优化成果

6.1 力学性能提升

优化后典型性能：

• 抗弯强度：400-550MPa

• 断裂韧性：5.0-6.5MPa·m¹/²

• 维氏硬度：18-22GPa

• 弹性模量：380-400GPa

6.2 功能性能优化

• 导热系数：30-35W/(m·K)(96%Al₂O₃)

• 介电常数：9.5-10.5(1MHz)

• 体积电阻率：>10¹⁴Ω·cm

7. 工业应用案例

7.1 电子陶瓷基板

某企业采用流延成型+共烧工艺：

• 生坯厚度0.25±0.02mm

• 1550℃烧结后翘曲<0.1mm/50mm

• 热导率32W/(m·K)

7.2 耐磨陶瓷部件

优化后的HIP工艺：

• 相对密度>99.5%

• 磨损率<10⁻⁶mm³/(N·m)

• 使用寿命延长3-5倍

8. 结论与展望

本研究系统总结了氧化铝陶瓷制备工艺的优化路径，主要结论如下：

1. 化学法粉体在纯度、细度方面具有优势，但成本较高

2. 凝胶注模成型适合复杂形状制品，固相含量可达55vol%

3. 两步烧结法能有效控制晶粒生长，获得高致密度

4. 复合添加剂可协同优化显微结构和力学性能

未来发展方向：

1. 开发低成本纳米粉体制备技术

2. 研究3D打印等新型成型工艺

3. 探索微波烧结等节能技术

4. 开发多功能复合陶瓷材料

5. 建立智能制造工艺控制系统