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氧化铝陶瓷_图

作者:亚洲城登录    更新时间:2020-11-12 16:53

  氧化铝陶瓷_材料科学_工程科技_专业资料。氧化铝陶瓷 ? 氧化铝陶瓷是氧化物中最稳定的物质, 具有机械强 度高、硬度大、耐磨、耐高温、耐腐蚀、高的电绝 缘性与低的介电损耗等特点, 它是发展比较早、成 本低、应用最广的一种陶瓷材料, 在航天、航

  氧化铝陶瓷 ? 氧化铝陶瓷是氧化物中最稳定的物质, 具有机械强 度高、硬度大、耐磨、耐高温、耐腐蚀、高的电绝 缘性与低的介电损耗等特点, 它是发展比较早、成 本低、应用最广的一种陶瓷材料, 在航天、航空、 发动机耐磨部件、刀具等方面具有十分诱人的应用 前景。但是, 由于它具有高脆性和均匀性差等致命 弱点, 影响了陶瓷零部件的工作可靠性和使用安全 性, 因此,提高氧化铝陶瓷的韧性是殛待解决的重要 问题。 制备氧化铝的原料 ? 铝在地壳中中含量非常丰富,总的平均含量 为8.7%,在金属元素中位居第一;仅次于氧 和硅,折算为氧化铝在地壳中平均含量为16. 4 % ,是自然界中仅次于SiO2 存量的氧化物。 地壳中含铝矿物大约有200多种,其中40%为 各种铝硅酸盐。且铝矿绝少以纯的状态形成 工业矿床,基本都是与其他矿物共生。最主 要的铝矿物列于下表: 主要含铝矿物 名称 化学式 氧化铝含量 % 相对密度 莫氏硬度 刚玉 一水软铝石 一水硬铝石 三水铝石 蓝晶石、红柱 石、硅线O3?SiO2 (K,Na)2O?Al2O3?2SiO2 (K,Na)2O?Al2O3?6SiO2?2H2O K2O?3Al2O3?6SiO2?2H2O K2O?Al2O3?4SiO2 Al2O3?2SiO2?2H2O (K,Na)2SO4?Al26SO4?4Al(OH) 3 100 4.0 9 85 85 65.5 63 32.3-36 18.4-19.3 3 3.3 2.35 3.5 4 7 3 7 霞石 长石 白云母 白榴石 高岭石 明矾石 2.6 6 2 38.5 23.5 39.5 37 2.5 2.6 2.6 5 1 4 铝土矿 ? 铝土矿中氧化铝主要以三水铝石[Al(OH) ], 或者一水软铝石[γ-AlOOH]及一水硬铝石[αAlOOH]状态存在。 3 氧化铝的常见的主要晶型 ? α- Al2O3 三方柱状晶体:高温稳定型,熔点高,硬度大(9),耐化 学腐蚀,优良的介电性能 ? α- Al2O3 俗称刚玉,属三方柱状晶体,晶体结构中氧离子形成六方最紧 密堆积,铝离子则在6 个氧离子围成的八面体中心。由于α- Al2O3 具有熔 点高,硬度大,耐化学腐蚀,优良的介电性,是氧化铝各种型态中最稳定的晶 型。用α- Al2O3 为原料制备的氧化铝陶瓷材料,其机械性能、高温性能、 介电性能及耐化学腐蚀性能都是非常优异的。 β- Al2O3 γ- Al2O3 ? γ- Al2O3 积密度小 等轴晶系:低温稳定型,结构松散,堆 ? γ- Al2O3 是氧化铝的低温形态,由制备工业氧化铝的中间产 物———氢氧化铝经煅烧而得。其结构疏松,易于吸水,且能 被酸碱溶解,性能不稳定,不适于直接用来生产氧化铝陶瓷;可 采用适当的添加剂对γ-Al2O3 进行高温煅烧,使γ- Al2O3 不可逆 转的变为α-Al2O3 (950~1 500 ℃) ,此过程伴随着14. 3 %的体 积收缩,使用煅烧收缩后得到的α- Al2O3 生产氧化铝陶瓷,有利 于产品尺寸的控制和减少产品的开裂。 γ- Al2O3 950~1500 ℃ + NH4F CaF2 AlF3 硼酸 α- Al2O3 降低转化温度 除杂 氧化铝的工业生产方法 ? 氧化铝的生产方法大致可以分为酸法、碱法、酸碱联合法、热法。 其碱法生产氧化铝中最著名的就是拜尔法。 ? 工业氧化铝一般是以含铝量高的天然矿物铝土矿和高岭土等为原料,通过 化学法(主要是碱法,多采用拜尔法) 处理,除去硅、铁、钛等杂质制备出氢 氧化铝,再经煅烧而制得,其矿物成分绝大部分是γ- Al2O3 。工业氧化铝 是白色松散的结晶粉末,颗粒是由γ- Al2O3 晶体组成的多孔球形聚集体, 其孔隙率约为30 % ,平均粒径为40~70μm,杂质成分多,影响其应用。 纳米氧化铝陶瓷粉体的制备 ? 自8 0 年代中期Gleiter 等制得纳米级Al2O3 粉 末以来,人们对这一材料的研究不断取得进展, 如将材料内部的晶粒尺寸、缺陷尺寸和晶界 宽度等控制在纳米级范围内。可能获得较微 米级材料大大提高的强度、韧性、超塑性等 高性能材料。纳米氧化铝在陶瓷材料、催化 剂、电子工业、涂层材料、生物医药及光学 材料等方面有广阔的应用前景。 沉淀法 ? 沉淀法是在溶液中加入适当的沉淀剂得到沉淀,再经过滤、洗涤、干燥和煅 烧等工艺,得到纳米粉末。根据沉淀方式不同可分为直接沉淀法、共沉淀法 和均匀沉淀法等。直接沉淀法是直接用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米 微粒的方法,共沉淀法是在多种金属离子的混合盐溶液中加入沉淀剂,使各组 分混合沉淀出来,常用于制备多组分物或掺杂。均匀沉淀法是在溶液中加入 某种物质,使之通过溶液中的化学反应,缓慢生成沉淀剂,通过控制沉淀剂的生 成速度来避免浓度不均匀现象,从而控制粒子的生长速度。为得到粒度分布 均匀的粉体,应该使成核过程与生长过程分离,同时抑制粒子的团聚。为解决 沉淀法制备过程中的团聚问题,常采用溶剂蒸发法的冷冻干燥、超临界干燥、 共沸干燥等技术手段。沉淀法操作简单,工艺流程短,成本低。如在一定PH 值下,Al2 (SO4) 3 或AlCl3 溶液都可沉淀出氢氧化铝Al (OH) 3· 2O。通过中 nH 和沉淀得到的Al (OH) 3· nH2O 经过煅烧便可获得Al2O3 粉末。据报道以Al ( NH4 ) ( CO3 ) 2 和(NH4) 2CO3 为原料,利用直接沉淀法制得粒径为90nm 纯 度为99. 98 %的无定形氧化铝球形粉末。采用均匀沉淀法,以硝酸铝和脲为 原料制得氢氧化铝凝胶,再用低表面张力的乙醇为脱水剂,得到40nm 以下的 γ- Al2O3 粒子,防团聚效果较好。 溶胶- 凝胶法 ? 将金属醇盐溶解于有机溶剂中,并使醇盐水解,聚合形成溶胶,溶胶陈化转 变为凝胶,经过高温煅烧制得氧化铝纳米粉末。也可在真空状态下低温干 燥,得到疏松的干凝胶,再进行高温煅烧处理。该法制备的氧化物粉末粒度 小,且粒度分布窄,可以通过控制其水解产物的缩聚过程来达到控制聚合产 物颗粒大小。但由于金属醇盐来源有限,目前也有研究采用无机盐(如铝 酸钠溶液) 为原料,进行中和沉淀制备溶胶。采用乙醇铝为前驱物,与烷烃 配成溶液,加少量非离子表面活性剂,进行水解,经线 ℃下煅烧,分别得到粒径为40nm 和100nm 的γ -Al2O3 和 α- Al2O3 球形粉末。Feldeb 等以异丁醇铝为前驱体,加入乙酰丙酮和硝酸 铵,经水解、陈化形成凝胶,再经干燥、煅烧得到粒径为50nm的α- Al2O3 粒子。该方法原料价格高,有机溶剂的毒性以及在高温下作热处理时会使 颗粒快速团聚,不适宜工业化大生产。 络合物一凝胶法 ? 近年来也有较多采用络合物一凝胶法,即用铝的无机盐和有机络合剂制备 出金属络合物溶胶,再陈化得凝胶,碾碎、煅烧得稳定氧化铝细粉。利用这 种方法分别得到14nm 和10nm 的球形氧化铝粒子,并且无明显团聚现象。 在Al (NO3) 3 溶液中加入丙烯酰胺单体、N ,N′- 亚甲基丙烯酰胺网络剂, 在80 ℃聚合获得凝胶,经过干燥、煅烧得10nm的α- Al2O3 粉体。该方法 是在室温附近的湿化学反应,其优点是能用分子水平设计来控制材料的均 匀性及粒度,得到高纯超细材料,缺点是原料价格高,有机溶剂有毒性,以及 在高于1200 ℃处理粒子会快速凝聚。通过调节工艺条件, 可制备出粒径 小、分布窄的纳米级Al2O3 ,并会因条件不同得到不同产物AlO(OH)非晶 体及晶体粉末或透明的溶胶。在制备工艺中,加入羟丙基纤维素等具有不 同亲水疏水能力的分散剂能有效地破坏羟桥网络结合,可使凝胶粒子表面 改性,达到乳化溶液和分散胶粒的目的,从而避免凝胶粒子团聚。 溶胶- 相转移法 ? 溶胶- 相转移法是往铝盐溶液中加入碱性溶液,加热氢氧化铝 沉淀并且使之溶胶化,在水溶胶中加入阴离子表面活性剂,抑 制核的生长和凝聚,加入有机溶剂,使粒子转入到有机相中,最 后加热且减压除去溶剂,将残留物质干燥煅烧得到氧化铝纳米 粒子。有人用AlCl3· 6H2O 制得水合氧化铝溶胶,加入阴离子 表面活性剂DBS 和有机溶剂二甲苯,制得平均粒径为5nm 的 γ- Al2O3 和128nm的α- Al2O3 粒子。该方法的关键是利用 表面活性剂将水溶液中的胶粒转移到油相中,然后油水分离, 达到较快速简易地将胶体粒子和水分离的目的。 溶剂干燥法 ? 喷雾热分解法是将铝盐Al (NO3) 3 、碳酸铝铵 (NH4AlO(OH) HCO3) 等溶液用喷雾器喷入到 高温的气氛中,溶剂的蒸发和Al (NO3) 3 的热 分解同时迅速进行,从而直接制得40~150nm 的α- Al2O3 或γ- Al2O3 粉末。该法制备能力大, 操作较为简单,但Al (NO3) 3 热分解时产生大 量的氮氧化物,环境污染给工业化生产带来一 定困难。 冷冻干燥法 ? 冷冻干燥法最早应用于生物及食品工程。由于胶体 粒子具有很高的比表面积和很大的表面能,在胶粒聚 沉形成凝胶过程中吸附了大量分散介质(水) 。在凝 胶干燥时,由于表面张力和表面能的作用,凝胶会进 一步收缩聚结,颗粒间凝聚和合并大大改变了粒子原 有的性能。故采用普通干燥法很难得到性能优良的 超细粒子。冷冻干燥法是在低温下使凝胶中的水冻 结成冰,然后迅速抽真空降低压力,在低温低压下冰 直接升华成蒸气,实现液固分离。 氧化铝的应用 ? 随着科学技术的发展及制造技术的提高,氧化 铝陶瓷在现代工业和现代科学技术领域中得 到越来越广泛的应用。 ? 1) 机械方面。有耐磨氧化铝陶瓷衬砖、衬板、 衬片,氧化铝陶瓷钉,陶瓷密封件(氧化铝陶瓷 球阀) ,黑色氧化铝陶瓷切削刀具,红色氧化铝 陶瓷柱塞等。 ? 2) 电子、电力方面。有各种氧化铝陶瓷底板、 基片、陶瓷膜、高压钠灯透明氧化铝陶瓷以 及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件,电子材料等。 ? Al2O3 陶瓷在真空电子器件中的应用,还有一些其他特点 ,例如: ? (1) 温度在1500~1600 ℃, 线 陶瓷蒸气 压低,放气量少。 ? (2) 在800~1000 ℃温度范围内,对空气、氦、氩、氧、氮等透气率很低。 ? (3) 在超高频(109~1011 Hz) 和500~700 ℃温度范围内,其介质损耗极小。 ? (4) 在直流高压和宽脉冲交流电压下,对各种介质(包括真空、空气和液体 电介质) 有较高的介电强度。 ? (5) 易于金属化并形成牢固致密的陶瓷-金属接合。 ? (6) 有良好的抗辐射性能。 ? 3) 化工方面。有氧化铝陶瓷化工填料球,氧化 铝陶瓷微滤膜,氧化铝陶瓷耐腐蚀涂层等。 ? 4) 医学方面。有氧化铝陶瓷人工骨,羟基磷灰 石涂层多晶氧化铝陶瓷人工牙齿、人工关节 等。 ? 5) 建筑卫生陶瓷方面。球磨机用氧化铝陶瓷 衬砖、微晶耐磨氧化铝球石的应用已十分普 及,氧化铝陶瓷辊棒、氧化铝陶瓷保护管及各 种氧化铝质、氧化铝结合其他材质耐火材料 的应用随处可见。 ? 6) 其他方面。各种复合、改性的氧化铝陶瓷 如碳纤维增强氧化铝陶瓷,氧化锆增强氧化铝 陶瓷等各种增韧氧化铝陶瓷越来越多地应用 于高科技领域;氧化铝陶瓷磨料、高级抛光膏 在机械、珠宝加工行业起到越来越重要的作 用;此外氧化铝陶瓷研磨介质在涂料、油漆、 化妆品、食品、制药等行业的原材料粉磨和 加工方面应用也越来越广泛。 透明陶瓷——氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷熔点高:坩埚、高温炉管 硬度大:刚玉球磨机 透明、耐高温 :高压钠灯灯管 氧化铝瓷强度比普通瓷高2~3倍,有的甚至高5~6倍;硬度高, 有很好的耐磨性、耐高温性,含Al2O3 高的刚玉瓷有高的蠕变抗力, 能在1600℃高温下长期工作;耐蚀性及绝缘性好。缺点是脆性大, 抗热振性差,不能承受环境温度的突然变化。 应用:内燃机的火花塞、火箭和导弹流罩、轴承、切削刀具, 以及密封环等。 二、特种陶瓷 (一)氧化物陶瓷 1.氧化铝陶瓷 它是以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷, α ―Al2O3为主晶相。根据Al2O3含量的不同分为:75瓷 (75% Al2O3),又称刚玉—莫来石瓷;95瓷(95% Al2O3)和99瓷(99% Al2O3)。后两者又称刚玉瓷。 ? 制备方法: 配料 球磨 成形 烧结 原料煅烧 ? 性能与应 用: 1)高强度、高温稳定性:装饰瓷,喷嘴、火箭、导弹 的导流罩 ; 2)高硬度、高耐磨性:切削工具,模具,磨料,轴承, 人造宝石; 3)低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性:火花塞,电 路基板,管座; 4)熔点高、抗腐蚀:耐火材料,坩埚,炉管,热电偶 保护套等; 5)离子导电性:太阳能电池材料和蓄电池材料等。 6)生物相容性:还可用于制作人工骨骼和人造关节等。 人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3(刚 玉)。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化 合物; 而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛 化合物。 1900年,科学家曾用氧化铝熔融后加入少量 氧化铬的方法,制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在,已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。 红宝石和蓝宝石及人造宝石 二、新型结构陶瓷 ? ⑴ 氧化铝陶瓷 单相Al2O3陶瓷组织 ? 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2 的陶瓷,又称高 铝陶瓷。 Al2O3密封、气动 陶瓷配件 Al2O3化工、耐磨陶 瓷配件 热偶套管,淬火钢的切削 刀具、金属拔丝模,内燃 机的火花塞,火箭、导弹 的导流罩及轴承等。 氧 化 铝 陶 瓷 密 封 环 氧化铝陶瓷坩埚 氧化铝陶瓷转心球阀 95瓷纺织件 99瓷纺织件 氧化铝耐高温喷嘴 氧化铝陶瓷制品

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