低温烧结氧化铝陶瓷技术详解

氧化铝陶瓷是以α-Al2O3为主晶相的结构陶瓷，由于其具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性良好等优异的性能，而且原料来源广泛、价格低廉，在电子、航空、机械、纺织、化工、建筑等领域得到了非常广泛的应用。然而，由于Al2O3的熔点高达2050℃，氧化铝陶瓷的烧结温度也较高，这就需要消耗大量的能源，而且对设备的要求也较高。从节约资源、降低能耗、减少成本的角度考虑，氧化铝陶瓷的低温烧结技术成为了一项重要的研究课题。

目前，对于降低氧化铝陶瓷烧结温度方面的研究较多，归纳起来主要有以下几个方面：

(1) 提高原料粉体的细度和活性。基于表面张力作用原理，采用粒度小、比表面积大、表面活性高的氧化铝细晶为原料可以显著降低氧化铝陶瓷的烧结温度;

(2) 采用特殊烧结工艺。目前主要采用的低温烧结工艺包括热压烧结、热等静压烧结、微波加热烧结、微波等离子体烧结以及放电等离子体烧结等，可以起到降低烧结温度的作用;

(3) 添加烧结助剂。采用不同的设计配方，在原料中引入添加剂，通过不同的作用机理实现氧化铝陶瓷的低温烧结。

由于降低原料粉体粒度需要采用不同的预处理工艺，原料成本高、工艺复杂，而特殊烧结技术往往要消耗能源，同时部分烧结方式难以控制烧结体形状，在不添加任何助剂的情况下制得的氧化铝陶瓷性能较差;因此，与其他方法相比，烧结助剂法具有成本低、效果好、工艺简便的优点，而且通过掺杂改性技术可以大幅提高氧化铝陶瓷的机电性能，是目前最有效的一种低温烧结方法。

烧结助剂的作用机理

烧结是通过加热使原料粉体产生颗粒粘结、经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。普通陶瓷粉体之所以难于烧结，原因就在于其晶格能较高、晶体结构稳定，质点扩散需要较高的活性，即烧结激活能大，因此需要较高的温度。为了达到促进烧结的目的，一方面可考虑活化晶格，降低烧结激活能，主要通过掺杂破坏稳定的晶格结构使得晶体中产生缺陷或者引起晶格畸变来实现;另一方面可考虑加速扩散过程，主要通过在体系中产生液相，液相通过表面张力作用产生颗粒粘结并填充气孔，同时利用“溶解-沉淀”机理，通过液相传质作用使溶解的小晶粒逐渐在大晶粒表面沉积，达到促进烧结的效果。

烧结助剂对氧化铝陶瓷烧结效果的影响

对于氧化铝陶瓷的低温烧结技术中采用烧结助剂的方法人们很早就开始进行了大量的研究。根据各种阳离子结构的不同，其降低烧结温度的机理也各不相同，主要分为以下四种: 与氧化铝形成固溶体、烧结过程中形成低共熔体系、与氧化铝生成新相及原料中含有低熔点的玻璃相。

几种常用的低温烧结复合助剂

在实际生产中，单一助剂往往不能同时满足其烧结和机电性能的要求，一般情况下单一助剂在降低烧结温度的同时会导致陶瓷性能的降低，因此，采用多种不同助剂组成的复合添加剂要比单独使用其中一种助剂更为常见。

在选配复合助剂时一般要遵循以下原则:

(1)不同助剂之间应具有协同促进烧结的作用，多种助剂复合添加与单一助剂相比可以更好的降低烧成温度;

(2)不同助剂之间最好不发生反应，否则会减弱或抵消其促烧作用;

(3)不同助剂之间可以起到相互补充的作用，一种助烧剂在促进烧结的同时对材料性能产生的不利影响可以由另一种助剂进行弥补，故一般根据烧结助剂的作用往往选择将可以降低烧结温度的助剂与可以改善烧结体显微组织结构和烧结性能的其他助剂搭配使用。

在具体选用不同助剂组成复合助剂的时候，一般形成低共熔体系的添加剂主要以玻璃形成体如SiO2为主，辅以玻璃中间体Al2O3、BeO、ZnO等和玻璃调整体 MgO、Li2O、BaO、CaO、Sr2O等形成 MgO-Al2O3-SiO2 ( MAS)，CaO-Al2O3-SiO2(CAS)，Li2O-Al2O3-SiO2(LAS) 等系统。对于高纯氧化铝陶瓷，通常都选用 MgO 作为基本的烧结助剂进行添加，但是MgO的高温挥发性会使陶瓷表面产生大的晶粒。由于稀土元素添加剂可以在添加量极低的情况下很大程度地减小氧化铝的晶界长大速率，现在多采用 MgO 和 La2O3 或 Y2O3 等复合的形式加入到氧化铝陶瓷中。目前，比较常用的复合助剂主要有 CaO-MgO-SiO2 体系、MnO2-TiO2-MgO 体系以及 CuO-SiO2 体系。

结论

在氧化铝陶瓷的低温烧结技术中，采用添加剂的方法降低烧结温度的效果是非常显著的，同时，还可以起到细化晶粒、稳定结构、改善材料力学性能等作用。不同添加剂的作用机理不同，实际生产中，往往采用多种助剂复合使用的方式，可以更好地促进氧化铝陶瓷的低温烧结，氧化铝陶瓷低温烧结助剂的研究仍然以复合助剂为主，其发展趋势一方面是完善现有的复合助剂体系，寻求更优的助剂组合方式及其用量关系; 另一方面是研究开发新的体系以期达到更好的效果，其中低熔点玻璃相的助剂以及稀土氧化物的研究报道还比较少，但其具有添加量少、烧结性能好等优势，若加以深入研究有望在氧化铝陶瓷的低温烧结技术领域得到更好的应用。目前，烧结助剂法在陶瓷低温烧结方面的应用越来越广泛，研究领域也取得了很多阶段性的进展，但仍存在很多不足。在实际应用方面，至今尚未形成一个成熟的体系，在烧结助剂的选择上大多以实验经验为主，缺乏相关的理论基础，而且材料的研究与工艺的选择及器件的设计未能有效的结合。在理论研究方面，缺少低温烧结动力学分析，另外在微观结构与材料性能的内在联系方面的研究还不深入。因此，系统研究烧结助剂的相关理论，以达到通过不同的性能要求来设计和选择烧结助剂的目的是今后助剂法低温烧结陶瓷材料的一个重要的研究方向。

文章来源：中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，矿物岩石材料开发应用国家专业实验室。