氧化鋁陶瓷的類型及性能

    隨著科學技術的發展，特別是能源、空間技術的發展，材料需要在比較苛刻情況下使用。例如磁流體發電的通道材料，既要能耐高溫，又要能經受高溫高速氣流的沖刷和腐蝕。空間技術的發展（如航天器的噴嘴、燃燒室的內襯、噴氣發動機的葉片等）對材料提出了愈來愈高的要求。石油化工、能源開發等方面的反應裝置、熱交換器、核燃料，對材料的耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性也日益要求嚴格。由此可見，高溫結構陶瓷越來越顯得特別重要，其品種的需要也與日俱增。因此，近10年來得到迅速發展?？傊?，高溫結構陶瓷材料具有金屬等其他材料所不具備的優點，即具有耐高溫、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數、高導熱性和質輕等特點。
    高溫結構陶瓷材料早先主要是指氧化物系統，現在已發展到非氧化物系統以及氧化物與非金屬氧化物的復合系統等。
    當然高溫結構陶瓷材料最大的缺點是脆性，因而受到了一定使用限制?？茖W工作者在解決高溫結構陶瓷(high temperature ceramics)材料的脆性方面正不斷進行研究和探索。
    氧化物陶瓷(oxide ceramics)是發展比較早的高溫結構陶瓷材料，由于它們具有許多優點，故在各個有面得到應用。

    一、氧化鋁陶瓷的類型及性能
    1．A12 03陶瓷類型
    氧化鋁陶瓷(alumina ceramics)是一種以口-A12 03為主晶的陶瓷材料。其A12 03含量一般在75%—99. 9%之間。通常習慣以配料中A12 03的含量來分類。A120。含量在75%左右為“75瓷”，含量在85%左右的為“85瓷”，含量在95%左右的為“95瓷”，含量在99%左右的為“99瓷”。
    2．A12 03的晶型
    工業A12 03是由鋁礬土(A12 03.3Hz O)和硬水鋁石制備的，對于純度要求不高的A12 03，一般是通過化學方法來制備。電熔剛玉即是用上述原料加碳在電弧爐內于2000—2400℃熔融制得，也稱人造剛玉。
    A12 03有許多同質異晶體。根據研究報道過的A12 03變體有十多種，但主要有三種，即-y-A12 03、p-A12 03、a-A1203。A12 03的晶型轉化關系如圖2-1-1所示。其結構不同，因此其性量有關。

    二、A12 03的預燒質也不同，在1300℃以上的高溫幾乎完全轉變為a -A12 03。y-Al2 03屬尖晶石型（立方）結構，氧原子呈立方密堆積，鋁原子填充在間隙中。它的密度小，且在高溫下不穩定，機電性能差，在自然界中不存在。由于是松散結構，因此可利用它來制造多孔特殊用途的材料。
    3-A12 03是一種A120。含量很高的多鋁酸鹽礦物。它的化學組成可以近似地用RO．6A12 03和RzO·1IA1203來表示(RO指堿土金屬氧化物，RzO指堿金屬氧化物)。其結構由堿金屬或堿土金屬離子如[Na0]-層和LAIii 012]十類型尖晶石單元交疊堆積而成，氧離子排列成立方密堆積，Na+完全包含在垂直于C軸的松散堆積平面內，在這個平面內可以很快擴散，呈現離子型導電。
    a-Al203屬三方晶系，單位晶胞是一個尖的菱面體，在自然界只存在a -A12 03，如天然剛玉、紅寶石、藍寶石等礦物。口-Al2 03結構最緊密、活性低、高溫穩定。它是三種形態中最穩定的晶型，電學性質最好，具有優良的機電性能。
    3．Alz 03陶瓷的性質
    A12 03陶瓷具有許多優良昀性能，因而在世界各國都得到廣泛的應用。
    A12 03陶瓷的硬度為9（莫氏），密度為3.9 g/cm3左右，機械強度約150 MPa，膨脹系數與金屬差不多。此外具有良好的化學穩定性。A12 03陶瓷的性質與口-A12 03的含
    如前所述，A1zO。的晶型不同，結構也不同，性能各異，而最為穩定的是a-A12 03。因此，利用A12 03制成Al：03陶瓷，必須對A12 03進行預燒(prefiring)，或者叫煅燒。
    1．A12 03預燒
    預燒的目的，是使Y-A120。全部轉變為a-AI：O。，減少燒成收縮。此外，預燒還可以排除A12 03原料中的Na20，提高原料的純度，從而保證產品的性能。表2-1-1    A12 03陶瓷主要性能
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┃    性能      ┃  測試條件  ┃  單位      ┃  75瓷    ┃  90瓷      ┃  95瓷      ┃  99瓷        ┃  99.5瓷      ┃
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┃  體積密度    ┃            ┃   g/cm3    ┃  >3. 20  ┃  >3. 40    ┃  >3. 60    ┃     3. 70    ┃     3. 70    ┃
┃  抗彎強度    ┃            ┃   N/mz     ┃1. 96X108 ┃2. 25 X108  ┃2. 24X108   ┃>2. 24X108    ┃>2. 74 X lOs  ┃
┃  線膨脹系數  ┃ 20～100℃  ┃ X l0-6 /oC ┃      6   ┃            ┃            ┃              ┃              ┃
┃              ┃ 20～500 'C ┃ X 10-6 /oC ┃          ┃6. 3～7. 3  ┃6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃  6. 2～7. 5  ┃
┃              ┃ 20～800 'C ┃ X 10-6/oC  ┃          ┃ 6. 3～7. 3 ┃6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃  6. 5～8. 0  ┃
┃  介電常數    ┃    I MHz   ┃            ┃          ┃8. 5～9. 5  ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃   9～10. 5   ┃
┃              ┃    IO GHz  ┃            ┃          ┃            ┃   9～10    ┃   9～10. 5   ┃              ┃
┃  介質損耗值  ┃    I MHz   ┃   X 10-6   ┃          ┃    <8      ┃    <4      ┃   <2. 5      ┃  ≤1. 5      ┃
┃    tana      ┃    10 GHz  ┃   x io-6   ┃          ┃            ┃            ┃     <6       ┃              ┃
┃  比體積電阻  ┃     100 0C ┃   fl . cm  ┃   >1012  ┃   >1013    ┃   >1013    ┃    >10'3     ┃    >IO'4     ┃
┃              ┃     300 c  ┃   fl . cm  ┃          ┃   >1015    ┃   >1016    ┃    >1016     ┃    >10'2     ┃
┃              ┃     500 0C ┃  Q . cm    ┃          ┃            ┃   >108     ┃     >log     ┃              ┃
┃  擊穿強度    ┃            ┃  kV/mm     ┃     20   ┃     15     ┃     15     ┃       15     ┃              ┃
┃  導熱系數    ┃     20 c   ┃W/(m . K)   ┃          ┃    16. 8   ┃    25. 2   ┃     25. 2    ┃     29. 2    ┃
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    從實際來看，預燒的方法不同，添加物不同，氣氛不同，效果也不同，預燒質量也不一樣。因此，預燒足A12 03陶瓷生產中重要的環節之一。