Alumina keramische componenten, met hun uitstekende eigenschappen zoals hoge hardheid, hoge temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid en goede isolatie, worden veel gebruikt in de elektronica, de medische sector, de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren. Van elektronische precisiecomponenten tot mechanische onderdelen in zware omstandigheden, aluminium keramische componenten zijn overal te vinden. Het simpelweg toevoegen van water aan aluminiumoxidepoeder en het verhitten ervan op hoge temperatuur is echter niet voldoende om deze hoogwaardige keramische componenten met uitstekende eigenschappen te produceren. Additieven spelen hierbij een cruciale rol.
Zuiver aluminiumoxide heeft een smeltpunt van maar liefst 2050 °C en de sintertemperatuur moet doorgaans boven de 1600 °C liggen. Dit leidt niet alleen tot een hoog energieverbruik, maar veroorzaakt ook gemakkelijk grove korrels en prestatievermindering. Bovendien is aluminiumoxide zelf zeer bros en is direct gesinterd keramiek gevoelig voor scheuren, waardoor het moeilijk is om te voldoen aan de eisen van precisieapparatuur. De functies van additieven zijn als volgt:
① verlaging van de sintertemperatuur (energiebesparing en kostenreductie);
② verbetering van de dichtheid (vermindering van poriën en verhoging van de sterkte);
③ het optimaliseren van de korrelgrensstructuur (verbetering van de taaiheid en thermische schokbestendigheid);
4. Het regelen van elektrische/thermische eigenschappen (zoals isolatie en thermische geleidbaarheid).
In dit artikel worden een aantal veelgebruikte additieven besproken:
1. Vloeimiddelen: verlagen de sintertemperatuur en verbeteren de dichtheid.
Alumina heeft een hoog smeltpunt en direct sinteren verbruikt niet alleen enorm veel energie, maar stelt ook extreem hoge eisen aan de apparatuur. De opkomst van fluxen heeft dit probleem effectief opgelost. Het is een soort "-temperatuurregelaar, die de sintertemperatuur van aluminiumoxidekeramiek kan verlagen, waardoor het sinterproces efficiënter en energiezuiniger wordt.
(1) Titaandioxide (TiO₂) is een van de meest voorkomende vloeimiddelen. Tijdens het sinterproces kan het reageren met aluminiumoxide om een eutecticum te vormen, waardoor de temperatuur waarbij de vloeibare fase verschijnt, wordt verlaagd. Dit is vergelijkbaar met koken, waarbij het toevoegen van speciale kruiden ervoor kan zorgen dat ingrediënten sneller de ideale kooktoestand bereiken. Het gebruik van titaandioxide als vloeimiddel kan niet alleen de sintertemperatuur verlagen, maar ook de hardheid van aluminiumoxidekeramiek tot op zekere hoogte verbeteren. Zo kan het toevoegen van een geschikte hoeveelheid titaandioxide aan sommige aluminiumoxidekeramiekfrezen die voor snijprocessen worden gebruikt, de frezen slijtvaster maken en tegelijkertijd een hoge hardheid behouden, waardoor hun levensduur wordt verlengd.
(2) Yttriumoxide (Y₂O₃) is ook een belangrijke flux. Het kan de kristalfasetransformatie van aluminiumoxide bij hoge temperaturen remmen, waardoor de stabiliteit van de keramische structuur behouden blijft. Voor keramische producten van aluminiumoxide met extreem hoge eisen aan thermische stabiliteit, zoals de basis van elektronische componenten die in omgevingen met hoge temperaturen worden gebruikt, kan de toevoeging van yttriumoxide keramische componenten een goede thermische schokbestendigheid geven, waardoor ze minder vatbaar zijn voor scheurvorming in omgevingen met snelle temperatuurschommelingen.
(3) Calciumoxide (CaO) verlaagt ook de sintertemperatuur. Het kan een eutecticum vormen met aluminiumoxide, waardoor het energieverbruik wordt verlaagd en overmatige korrelgroei wordt voorkomen. Dit bevordert de productie van keramiek met een fijnkorrelige structuur. Keramiek met een fijnkorrelige structuur heeft doorgaans een hogere sterkte en taaiheid. In sommige keramische onderdelen van aluminiumoxide die bestand moeten zijn tegen grote externe krachten, zoals slijtvaste componenten van mechanische apparatuur, kan de toevoeging van calciumoxide de prestaties van de onderdelen verbeteren.
2. Versterkende en versterkende middelen: verbeteren de breuktaaiheid en verminderen de brosheid.
Hoewel aluminiumoxidekeramiek een hoge hardheid heeft, is de taaiheid relatief laag, waardoor het gevoelig is voor brosse breuk bij blootstelling aan externe invloeden. De opkomst van versterkende en verhardende middelen is vergelijkbaar met het aanbrengen van een laag "armor" op aluminiumoxidekeramische componenten, wat hun sterkte en taaiheid effectief kan verbeteren.
Siliciumcarbide (SiC) is een veelgebruikt versterkings- en verhardingsmiddel. De deeltjes zijn gelijkmatig verdeeld over de aluminiumoxidematrix. Wanneer de keramische component wordt blootgesteld aan externe krachten, kunnen de SiC-deeltjes de voortplanting van scheuren belemmeren. Dit is vergelijkbaar met het plaatsen van obstakels op een weg: wanneer een scheur deze deeltjes tegenkomt, verandert de voortplantingsrichting, waardoor er meer energie wordt verbruikt en de keramische component minder snel breekt. In aluminiumoxide-keramische lagers die in omgevingen met hoge belasting worden gebruikt, kan de toevoeging van siliciumcarbide het lagervermogen en de levensduur van de lagers aanzienlijk verbeteren.
Boornitride (BN) behoort ook tot de groep versterkende en versterkende middelen. Het kan de wrijvingsprestaties van keramiek verbeteren en de sterkte en taaiheid ervan vergroten. In sommige aluminiumoxide keramische componenten die goede wrijvingsprestaties vereisen, zoals keramische ringen die worden gebruikt voor afdichting, kan het toevoegen van boornitride de wrijving en slijtage tussen componenten verminderen, het afdichtingseffect verbeteren en de sterkte van componenten verhogen om ze duurzamer te maken. Als de toegevoegde hoeveelheid echter meer dan 10% bedraagt, kan de hardheid afnemen, waardoor het noodzakelijk is om de smering en sterkte in balans te brengen.
3. Functionele additieven: Pas elektrische, thermische of optische eigenschappen aan
Naast het verbeteren van de basiseigenschappen kunnen functionele additieven keramische componenten van aluminiumoxide ook unieke eigenschappen geven, waarmee aan de behoeften van verschillende sectoren kan worden voldaan.
(1) Zeldzame aardoxiden, zoals lanthaan en cerium, zijn ware tovenaars voor het verbeteren van elektrische eigenschappen. In sommige aluminiumoxide-keramische componenten die in de elektronica worden gebruikt, zoals keramische substraten voor hoogfrequente circuits, kan het toevoegen van zeldzame aardoxiden de diëlektrische constante en de verliestangens van keramiek aanpassen, hun elektrische prestaties verbeteren, ze geschikter maken voor gebruik in hoogfrequente omgevingen en hun toepassingsmogelijkheden in de elektronica uitbreiden.
(2) Kleurstoffen zijn de "artists" die kleur toevoegen aan keramische componenten van aluminiumoxide. Kleurstoffen zoals chroomoxide en kobaltoxide kunnen reageren met aluminiumoxide om keramiek in verschillende kleuren te produceren. In sommige keramische producten met decoratieve eisen, zoals keramisch serviesgoed en decoratieve ornamenten, kan het toevoegen van kleurstoffen keramische componenten mooier en diverser maken en zo voldoen aan de esthetische behoeften van verschillende consumenten.
4. Bindmiddelen en vormhulpmiddelen: Verbeteren de vloeibaarheid van het poeder en de vormsterkte.
In het vormingsproces van keramische componenten van aluminiumoxide spelen bindmiddelen en vormhulpmiddelen een cruciale rol. Ze vormen als een groep "unsung helden die in stilte aluminiumoxidepoeder transformeren tot structurele onderdelen met verschillende vormen.
Organische bindmiddelen, zoals polyvinylalcohol (PVA) en polyacrylaat, werken als lijm en verbinden aluminiumoxidepoeders tijdens de vorming van het groene lichaam, waardoor het groene lichaam een bepaalde sterkte krijgt voor de daaropvolgende verwerking en het sinteren. Neem bijvoorbeeld tapegieten: PVA kan aluminiumoxidepoeders gelijkmatig in een oplosmiddel dispergeren tot een slurry met de juiste viscositeit en vloeibaarheid, die vervolgens via het tapegietproces tot een groene film wordt gegoten. Nadat de groene film is opgedroogd, behouden bindmiddelen zoals PVA hun vorm en structuur, waardoor vervorming tijdens de verdere verwerking wordt voorkomen.
Hulpmiddelen voor het vormen omvatten smeermiddelen, dispergeermiddelen, enz. Smeermiddelen kunnen de wrijving tussen het poeder en de mal verminderen, slijtage van de mal minimaliseren en een gelijkmatige dichtheid van de groene massa garanderen. Bij droogpersen kan het toevoegen van een geschikte hoeveelheid smeermiddel ervoor zorgen dat het poeder de mal gemakkelijker vult, waardoor de dichtheid van de groene massa verbetert. Dispergeermiddelen zorgen daarentegen voor een gelijkmatige dispersie van het poeder in de slurry om agglomeratie te voorkomen. Bij spuitgieten spelen dispergeermiddelen een bijzonder belangrijke rol doordat ze de slurry een goede vloeibaarheid geven, waardoor de injectie in de mal wordt vergemakkelijkt om complexe keramische componenten te vormen.
Additieven spelen een onmisbare rol in het productieproces van keramische componenten van aluminiumoxide. Ze ondersteunen de productie van keramische componenten van aluminiumoxide op diverse vlakken, van het verlagen van de sintertemperatuur en het verbeteren van de prestaties tot het creëren van unieke eigenschappen en vormgeving. Dankzij de voortdurende technologische vooruitgang kunnen in de toekomst meer nieuwe soorten additieven ontstaan, wat meer mogelijkheden biedt voor prestatieverbetering en uitbreiding van de toepassingsmogelijkheden van keramische componenten van aluminiumoxide.
