影响Al2O3陶瓷低温烧结的因素

       Al2O3陶瓷是目前世界上生产量最大、应用面最广的陶瓷材料之一，广泛应用在机械、电子、化工、航天等领域，具有强度高、硬度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能。但氧化铝陶瓷的烧结温度比较高，需要消耗大量能源，对设备要求高。从节约资源，减少成本的角度，低温烧结氧化铝陶瓷技术逐渐被应用。那么影响Al2O3陶瓷低温烧结的因素有哪些呢？

在生产Al2O3陶瓷时，根据Al2O3含量的不同可分为：75瓷(75%Al2O3)、85瓷(85%Al2O3)、95瓷(95%Al2O3)、99瓷(99%Al2O3)。

Al2O3颗粒尺寸的影响

在陶瓷烧结过程中，烧结动力主要来源于颗粒表面积的减少，颗粒的尺寸和气孔的形状都在不断地发生变化。

小尺寸颗粒比表面积大、表面活性高，所以可以降低其烧结温度和烧结活化能，进而提高烧结体的密度以及力学性能。

Al2O3颗粒尺寸越小，烧结性能越好，更大的比表面积增加了烧结驱动力和扩散速率，坯体中的气孔更容易被压缩，陶瓷的密度以及力学性能进一步提升。

但是小尺寸颗粒流动性较差，不利于干压成形，干压成形受力是单面受力，导致坯体内部密度不均匀，影响烧结体的致密性。

等静压成形利用液压可以使粉体各个方向受到相同的力，即使小尺寸颗粒的流动性很差，也可以提升坯体内部均匀性，进而提高烧结体的密度与力学性能，但是等静压成形只适合形状简单的坯体。

烧结助剂的影响

目前普遍认为烧结助剂可分为两类：一类与Al2O3形成固溶体，为固相烧结；另一类与Al2O3形成液相，为液相烧结。通过固溶体或液相的晶粒扩散，使Al2O3粉体在较低温下实现致密化烧结。

【固相烧结】

固相烧结主要靠界面移动和质点扩散两种途径实现烧结。生成固相的烧结助剂一般有TiO2、MnO2、Fe2O3、Cr2O3、Nb2O5等。

与液相烧结相比，固相烧结致密度较差，但体积变化不大，高温性能相对较好，若配合特殊烧结方法(热等静压烧结、气氛烧结、电场烧结、超高压烧结等)结合使用，可以克服这种添加剂带来的一些缺陷。

【固相烧结】

液相烧结主要靠流动传质的方式来实现烧结。生成液相的烧结助剂有SiO2、CaO、MgO、ZnO等。

烧结助剂有很强的渗透能力，通过添加低熔点氧化物烧结助剂在烧结阶段形成液相，在较大的程度上降低粉体的烧结激活能，从而促进烧结过程中物质迁移和传递，达到Al2O3陶瓷致密化的目的。

总结：

固相烧结主要与颗粒尺寸和活性、烧结温度、成形压力等因素有关，液相烧结与液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。

烧结方法的影响：

【热压烧结】

热压烧结是加压烧结和加压成形同时进行的一种烧结工艺，该烧结方法可以大幅度缩短烧结周期，制得致密度很高和晶粒很细的陶瓷。

采用热压虽然可以提高Al2O3陶瓷材料的力学性能，但是制备的陶瓷形状简单，生产效率低。

【热等静压烧结】

热等静压法跟热压烧结相似，是在高温和高压联合作用下强化压制与烧结的过程。主要特点是大大降低陶瓷的烧结温度，消除其内部孔隙，提高材料的致密度和强度。

热等静压法虽然能改善Al2O3陶瓷的性能，但是其生产效率低，成形的形状与结构简单，适合于有特殊要求的陶瓷。

【微波烧结】

微波烧结是利用微波电磁场中的介电损耗材料而使陶瓷坯体表面和内部同时加热的烧结过程。

微波烧结克服了烧结体形状简单的缺点，此外微波烧结的陶瓷内部组织均匀，综合性能高于传统烧结的陶瓷。

【放电等离子烧结】

放电等离子烧结又称脉冲电流烧结，是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现的烧结过程。

放电等离子烧结法可以缩短烧结时间、降低烧结温度、提高陶瓷性能，所制备的Al2O3陶瓷组织均匀、综合性能好。

【真空烧结】

真空烧结是指在一定的负压和温度下对Al2O3陶瓷坯体进行烧结。不同于热压烧结，真空烧结炉内处于负压环境，有利于坯体内部气体逸出，提高烧结体的致密性。

真空烧结法一般适用于透明陶瓷制备，可以大大提高烧结体的密度，尤其针对形状复杂的坯体，陶瓷材料的性能提升显著，但是其烧结工艺复杂，设备昂贵，不适合大批量生产。

总结：

在Al2O3颗粒尺寸方面，虽然颗粒尺寸细小可以促进烧结，但是细化颗粒一方面增加成本，另一方面颗粒尺寸细小更容易发生团聚，并且在烧结加热阶段，晶粒越细越容易长大，给研究带来一定困难。

烧结助剂虽然可以实现低温烧结，但是在固相烧结中陶瓷致密性较差，想要达到理论密度必须配合新型烧结方法。

在烧结方法方面，热压烧结和热等静压烧结可以在较低的温度下完成烧结致密过程，但是只能制备形状简单的小件陶瓷，生产效率极低，不适合大规模使用，尤其是热等静压烧结必须对粉体进行包封，所以也很难实现工业化生产。放电等离子法加热速度快、受热均匀，所得的样品晶粒均匀、致密度高。

参考文献：Al2O3陶瓷低温烧结性能影响因素的研究进展