氧化铝陶瓷基复合材料

氧化铝陶瓷基复合材料金材091班吴海优090601128性能发展应用成型技术陶瓷及复合材料性能AI203陶瓷性能简介氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。据研究报道，Al20。有12种同质多晶变体⋯，但应用较多的主要有3种，即α—A1203、β—AI203和γ—A120。，这3种晶体的结构不同，故它们的性质具有很大的差异f2]。(1)α—A1zO3α—A12O3是三方晶系，单位晶包是一个尖的菱面体，密度为3．96～4．01g／cm。，其结构最紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能也最佳．在一定条件下可以由其它的两种晶体转换而来。(2)β—A1203β—A1203。是一种A1203含量很高的多铝酸盐矿物，密度为3．3O～3．63g／cm。，它的化学组成中含有一定量的碱土金属氧化物和碱金属氧化物。并且还可以呈现离子型导电。(3)γ—A1203γ—A10。是尖晶石型立方结构，密度为3．42～氧化铝陶瓷基复合材料3．47g／cm。。它的氧原子呈立方紧密堆积。铝原子填充在间隙中，这就决定了它在高温下不稳定、力学和电学性能差的缺陷，在科学应用中很少单独制成材料使用。但它有较高的比表面积和较强的化学活性，经过技术改进可以作为吸附材料使用。氧化铝陶瓷基复合材料在制备A1203原料方面，如果对于纯度要求不高的Al203，一般是通过化学方法来制备。以铝土矿为原料，通过烧结、溶出、脱硅、分解、煅烧等步骤，把铝土矿中的A1203成分溶解于氢氧化钠(NaOH)溶液中，将得到的偏铝酸钠(NaAIO)溶液，冷却至过饱和态，加水分解就会析出氢氧化铝(A1(OH)。)沉淀，再将它煅烧即可得到Al20。。但在制备高纯度Al20s原料时一般氧化铝陶瓷基复合材料采用有机铝盐加水热分解法、铝的水中放电氧化法、铝的硫酸盐和氨碳酸盐热分解法、铵明矾热分解法等b]。目前国内外大多数学者都采用铵明矾热分解法，因为此方法制备的Al203纯度高、细度小(约1m以下)，且颗粒分布范围窄、团聚程度轻。氧化铝陶瓷具有机械强度高、电阻率高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等性能，而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。基于Al203陶瓷的一系列优良性能，其广泛应用于机械、电子电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域，本文对A1203陶瓷在以上6个方面的应用进行了阐述。A120３陶瓷的应用2．1机械方面A12O3瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa。Al203陶瓷的莫氏硬度可达到9，加上具有优良的抗磨损性能等，所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等，其中以Al203陶瓷刀具和工业用阀应用最广。A12Ｏ3陶瓷刀具在金属切削过程中，刀具起着主导作用。由于刀具材料的性能不同，其切削性能相差很大。A1203陶瓷刀具由于具有硬度高、高温力学性能强、耐磨性能好、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点，大量应用于硬切割、高速干切割、超高速切割等一些难加工材料的切割。A1203陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高，可大幅提高对不同材料的切削效率。随着科学工作者的大量研究，在制备陶瓷刀具中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制，以及添加其它成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的Al2O3基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯Al2O3陶瓷的不足，从而提高了它的切削性能和耐用度。纯A1２Ｏ３陶瓷刀具纯A10。陶瓷刀具是指仅含有少量氧化物的高纯Al20s陶瓷，其中Al：03的纯度大于99％。在纯A120。陶瓷中，可以添加ZrO作为烧结助剂来提高它的断裂韧性]。目前普通烧结所制备的Al20。陶瓷晶粒尺寸都在微米级，而细晶Al20。陶瓷能够获得较高的强度和断裂韧性以及较好的高温性能，是制备纯Al。0。陶瓷刀具的理想材料。解决这一问题的有效途径是：制备出粒径尺寸在lOOnm以下单分散的o～hl。0。粉，利用纳米Q—A120。的高活性，再运用先进的烧结技术在较低的温度下得到细晶A1203陶瓷]．有时也可以加入MgO或YO3来抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用_8]。纯Al。陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好，但抗弯强度较低、抗冲击能力差，目前它越来越多被各种复合A1。O。陶瓷刀具所替代。复合Al203陶瓷刀具Al203一碳化物陶瓷刀具，是在Al203中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、Mo2C、Cr3C2等)，以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等.在添加物中，以添加TiC的应用最多，与纯Al203。陶瓷相比，Al203一碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论是在常温还是高温下都优于纯Al203陶瓷。此复合刀具适合于高速粗、精加工耐磨铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。A120３一碳化物一金属陶瓷刀具，它是在Al203中除了添加碳化物外，还添加少量的粘结金属(如Ni、Mo、Co、w等)o3，由于添加了金属，提高了Al与碳化物的连接强度。改善了使用性能，此类陶瓷刀具适合于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料等。它是目前精加工冷硬铸铁轧辊的最佳刀具，并且可以应用于间断切削和有切削液的切削场合。增韧Al2O3陶瓷刀具增韧Al陶瓷刀具是指在Al203。基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有：ZrO2。相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。ZrO2。相变增韧是一种有效的增韧方式，当ZrO2在1150℃左右时发生相变时产生体积变化，在基体中诱导出许多裂纹，从而吸收其主裂纹尖端的大部分能量，达到增韧的目的。利用微米级或亚微米级ZrO2相变增韧Al203制成的Al203陶瓷刀具，可以有效改善刀具的断裂韧性。晶须增韧是利用晶须的加强棒作用，常用的晶须有TiC、SiC、Si等。用晶须增韧Al203陶瓷刀具显示出更为优越的抗裂纹扩展能力和抗循环热震性能，它具有强度高、硬度高、导热性好等优点[14-15]。第二相颗粒弥散增韧主要是利用弥散颗粒和基质材料膨胀系数和弹性模量的不匹配在材料内部形成残余应力，以达到增韧的目的。第二相颗粒一般使用SiC、TiC等，弥散增韧可以提高刀具的抗断裂性，从而使Al203陶瓷的韧性明显提高。A1203工业用阀目前，阀门种类繁多．氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀等[1引。旋塞阀：它广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中。同时也广泛用于石油化工、煤气、天然气、液化石油气、暖通行业以及一般工业中。闸阀、截止阀：它可广泛用于自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等体管线上作为调节和截流装置使用。球阀：球阀的主要特点是本身结构紧凑、密封可靠、结构简单、维修方便、密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。电子、电力方面在电子、电力方面，有各种Al203陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种Al203陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等，其中以Al2O3透明陶瓷和基片应用最广。化工方面在化工应用方面，A1203陶瓷也有较广泛的用途，如Al203陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等，其中以Al2O3陶瓷膜和涂层的研究和应用最多。A1203陶瓷膜陶瓷膜与有机高分子膜相比有以下特点：(1)耐高温、热稳定性好，在高温下仍能保持其性能不变：(2)高强度，在很大压力梯度操作下，不会被压缩或产生蠕变．机械性能好；(3)化学稳定性好，能耐强酸强碱溶液、有机溶剂和氯化物腐蚀，并且不被微生物降解；(4)可反复使用，易清洁；制备时孔径大小和孔径尺寸分布容易控制[2引Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有大量的应用，因此陶瓷无机膜日益受到科技界与工业界的广泛关注。A1203陶瓷膜的制备方法有很多，有溶胶一凝胶法、固态粒子烧结法、化学气相沉积法、阳极氧化法等。(1)溶胶一凝胶法是制备A1203陶瓷膜的一种有效方法，一般它是在多孔陶瓷支撑体(如堇青石、Q—A1203。等)上制备负载型均匀微孔的陶瓷膜；(2)固态粒子烧结法，它首先将Al203研磨成细粉，经筛分及水力沉降分级制成悬浮液，再加无机粘结剂等，经成形、烧结制成陶瓷膜：(3)化学气相沉积法是使反应产物蒸汽形成很高的过饱和蒸汽压，然后自动凝聚成大量的晶核。晶核长大沉积在基体材料上即制得陶瓷膜(4)阳极氧化法，它是以高纯度的合金为阳极，并使一侧表面与酸性电解质(如硫酸、草酸等)接触，通过电解作用在表面形成微孔Al203膜，然后去除未被氧化的铝载体和阻挡层。便得到孔径均匀、孔道与膜平面垂直的微孔Al203膜医学方面在医学方面，Al203更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。Al203陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性，是制备人造骨和人造关节的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一样的缺点如脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等，因此需要进一步研究应用。羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，其优良的骨传导作用已被很多的研究结果所验证，是目前最有前景的陶瓷人工骨材料，但是纯羟基磷灰石的力学性能较差，难以作为承重骨的替代材料。Al2O3一羟基磷灰石人工骨材料在人骨修复领域有着大量的应用。在临床骨科手术中，骨缺损常常需要大量的修复材料。目前常见的修复材料有自身骨、异体骨和人工合成材料等。自身骨移植虽无免疫排斥、效果好。但取材有限：异体骨移植则容易引起免疫排斥，且修复效果差；人工合成材料，它们基本上都是降解材料，所以不能修复缺损区]。因此寻求具有良好的物化性质、生物特性的生物材料作为骨移植材料，已成为研究的热点。A1203一羟基磷灰石人工骨材料正解决了这些问题，它具有稳定的物化性能，其硬度、抗弯强度、断裂韧性均已接近人体骨]．况且常规消毒不会改变其生物特性建筑卫生陶瓷方面在建筑卫生陶瓷方面，A1203产品随处可见．如A103陶瓷衬砖、研磨介质、辊棒、陶瓷保护管以及A1203质耐火材料等。其中以Al203球磨介质应用最广。A1203球磨介质物化性能优异、价格较低，在球磨介质中占据了一定的地位。但其韧性不及其它球磨介质，这就限制了它的进一步应用，因此国内外科研工作者对A12o。球磨介质增韧机理和技术进行了大量研究，考虑到成本问题及增韧的操作性，目前最有成效的增韧方法是利用相变增韧机理，在A1203中添加Zro2得到ZrO增韧A1203球磨介质，解决了A1203球磨介质的韧性问氧化铝复合材料的成型技术氧化铝复合材料用机械球磨混料+固相烧结这种比较传统的合成方法合成,近几年，只有一些研究人员对化学合成制粉法、微波烧结、热等静压等新型制备技术进行探索，但基本上还处于起步阶段，有待完善[4]。其中，化学合成制粉法又分为很多种，如溶胶-凝胶(Sol-gel)法、共沉淀法、燃烧法等，用这些方法获得的微细粉可以在一定程度上降低烧结温度。王辉等选用活性较大的前驱物氢氧化钕﹝Nd(OH)3﹞、四氯化钛（TiCl4），用水热法在300℃条件下合成了纯的钡钕钛体系（Ba6-3xNd8+2xTi18O54）粉末，压片成型后坯体烧结温度为1250℃，比传统固相法烧结温度低100℃左右[5]；ChuLiwen等采用共沉淀法，以氯化钡（BaCl2）、TiCl4等为原料，用碳铵〔(NH4)2CO3〕及氨水（NH3.H2O）调节其pH值，并将得到的沉淀物在800～1000℃条件下合成就可得到九钛二钡材料（Ba2Ti9O20），其中，1000℃条件下合成的粉体成型后在1300℃时烧结，具有优良的微波介电性能。总结氧化铝复合