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氧化鋁陶瓷作為陶瓷質(zhì)陶瓷,具有高強度、高彈性模量、高溫抗氧化性等優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于制備陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等領(lǐng)域,成為目前極有發(fā)展前途的無機鹽陶瓷材料。下面諾一精密陶瓷簡要介紹氧化鋁陶瓷制備方法及應(yīng)用。
一、氧化鋁陶瓷制備方法
東莞精密陶瓷中的氧化鋁陶瓷制備方法主要有助熔劑法、濕氫法、Al-SiO2法、模板法、前驅(qū)體法等。
1、助熔劑法
助熔劑法是采用硫酸鋁鉀為原料,以硫酸鉀為助熔劑,將硫酸鋁鉀和硫酸鉀按一定比例混合研磨均勻,放入高溫爐中以一定速率升至900~1200℃,焙燒 2~6 h,自然冷卻后對產(chǎn)物進行溶浸處理,得到氧化鋁陶瓷。
助熔劑法優(yōu)點是工藝簡單,成本低廉,且硫酸鋁鉀分解過程中能夠得到副產(chǎn)品硫酸鉀,具有一定經(jīng)濟效益。
2、濕氫法
濕氫法是將Al 粉置于Al2O3中,在適當(dāng)?shù)奈恢梅湃雴尉l2O3以誘導(dǎo)陶瓷生長,放入管式爐內(nèi),在濕氫氣氛下加熱至1400℃,保持2h,濕氫露點控制為-30℃。通過控制氫氣露點起到對其中水蒸氣含量的控制,制備得到的氧化鋁陶瓷。
濕氫法優(yōu)點是氧化鋁陶瓷以螺旋位錯機理生長,產(chǎn)品品質(zhì)較好。缺點是露點不易控制,受環(huán)境濕度因素干擾大,且對實驗設(shè)備影響很大。
3、模板法
目前,研究報道模板法主要是采用棉花纖維和碳納米管為模板,制備氧化鋁陶瓷。主要工藝過程是首先將棉花纖維浸入5%的AlCl3溶液中2min,80℃下干燥24 h,放入剛玉坩鍋置于烘箱中分別在 800℃、1000℃和1200℃下燒制2h,即得到多晶的氧化鋁陶瓷陶瓷。
4、Al-SiO2法
Al-SiO2法是目前制備氧化鋁陶瓷中采用最多的方法。該方法將Al金屬和SiO2粉體混合均勻后,在Ar氣條件下進行反應(yīng),反應(yīng)溫度一般為1300~1500 ℃,反應(yīng)時間為2~4h,制備得到氧化鋁陶瓷。
Al-SiO2法優(yōu)點是原料價格低廉,工藝操作簡單易行。缺點是:制備過程中需要通入保護氣體,限制了其工業(yè)應(yīng)用。
5、前驅(qū)體法
化學(xué)反應(yīng)前驅(qū)體法在水熱條件下進行,原料在高壓釜內(nèi)發(fā)生反應(yīng)得到前驅(qū)體,前驅(qū)體已經(jīng)具有陶瓷或是纖維狀結(jié)構(gòu),為最終產(chǎn)物的出現(xiàn)提供了骨架。在水熱制備氧化鋁陶瓷中,勃姆石纖維為常見中間體。主要工藝過程是采用 Al(OH)3為前驅(qū)體,膠體經(jīng)水熱反應(yīng)生成纖維狀勃姆石晶粒,再經(jīng)常壓下煅燒,得到 α-Al2O3微粉,晶粒仍保持了纖維形狀。
前驅(qū)體法優(yōu)點是:產(chǎn)物尺寸均一,品質(zhì)好。缺點是:前驅(qū)體的處理比較繁瑣,無法進行連續(xù)生產(chǎn)。
6、模板誘導(dǎo)-水熱法
模板誘導(dǎo)-水熱法是將模板法和水熱法結(jié)合起來,以硫酸鋁為前驅(qū)體加入模板劑制備了薄水鋁石陶瓷,并經(jīng)1200℃煅燒制得了α-Al2O3陶瓷。
模板劑加入的作用是:(1)降低水熱反應(yīng)的溫度;(2)控制前驅(qū)體形貌,制備高長徑比Al2O3陶瓷。
二、氧化鋁陶瓷應(yīng)用
1、金屬基復(fù)合材料
在陶瓷工業(yè)中,氧化鋁陶瓷與金屬具有良好的界面相容性,被認為是金屬基復(fù)合材料最佳的增強材料。氧化鋁陶瓷增強的金屬基復(fù)合材料具有高強度和耐磨、耐熱沖擊能力及低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能,已在汽車活塞槽部件和旋轉(zhuǎn)氣體壓縮機葉片中得到應(yīng)用,有利于改善汽車發(fā)動機性能,提高發(fā)動機使用效率和燃燒速率,減少廢氣排放量。
2、工業(yè)高溫窯爐
氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、熱容小、耐機械振動等性能,導(dǎo)熱系數(shù)和容重分別只有傳統(tǒng)耐火材料的1/10和1/15,綜合性能好,是理想的節(jié)能增效耐火材料,用于工作溫度高于1400 ℃的鋼鐵工業(yè)各種熱處理爐,陶瓷燒成窯,石油化工中的裂解爐、燃燒爐等的隔熱爐襯材料。
3、航空航天
氧化鋁陶瓷應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機噴管,使噴管設(shè)計大大簡化,部件數(shù)量減少50%,質(zhì)量減輕50%。也可應(yīng)用于航天飛機的隔熱材料,美國“哥倫比亞”號航天飛機隔熱板襯墊用的是Saffil氧化鋁陶瓷,能經(jīng)受1600 ℃的高溫。
4、陶瓷基復(fù)合材料
采用高強度、高彈性的氧化鋁陶瓷與陶瓷基體復(fù)合技術(shù),能制備韌性優(yōu)良的陶瓷基復(fù)合材料,可明顯提高陶瓷產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平,帶動高技術(shù)陶瓷工業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。