氧化鋁陶瓷的應用及常見缺陷分析
氧化鋁陶瓷具有機械強度高, 絕緣電阻大, 硬度高, 耐磨、耐腐蝕及耐高溫等一系列優良性能, 其廣泛應用于陶瓷、紡織、石油、化工、建筑及電子等各個行業, 是目前氧化物陶瓷中用途最廣、產銷量最大的陶瓷新材料。 通常氧化鋁陶瓷分為2大類, 一類是高鋁瓷, 另一類是剛玉瓷。高鋁瓷是以Al2O3和SiO2為主要成分的陶瓷, 其中Al2O3的含量在45%以上, 隨著Al2O3含量的增多, 高鋁瓷的各項性能指標都有所提高;由于瓷坯中主晶相的不同, 又分為剛玉瓷、剛玉—莫來石瓷、莫來石瓷等。根據Al2O3含量的不同, 習慣上又稱為75瓷、80瓷、85瓷、90瓷、92瓷、95瓷、99瓷等。
氧化鋁陶瓷原料
作為陶瓷原料主要成分之一的氧化鋁在地殼中含量非常豐富, 在巖石中平均含量為15.34%, 是自然界中僅次于SiO2存量的氧化物。一般應用于陶瓷工業的氧化鋁主要有2大類, 一類是工業氧化鋁, 另一類是電熔剛玉。
1、工業氧化鋁
工業氧化鋁一般是以含鋁量高的天然礦物鋁土礦 (主要礦物組成為鋁的氫氧化物, 如一水硬鋁石 (xAl2O3·H2O) 、一水軟鋁石、三水鋁石等氧化鋁的水化物組成) 和高嶺土為原料, 通過化學法 (主要是堿法, 多采用拜爾法——堿石灰法) 處理, 除去硅、鐵、鈦等雜質制備出氫氧化鋁, 再經煅燒而制得, 其礦物成分絕大部分是γ-Al2O3。 工業氧化鋁是白色松散的結晶粉末, 顆粒是由許多粒徑<0.1 μm的γ-Al2O3晶體組成的多孔球形聚集體, 其孔隙率約為30%, 平均粒徑為40～70 μm。
工業氧化鋁的3項主要雜質成分中, Na2O及Fe2O3將降低氧化鋁瓷件的電性能, Na2O的含量應<0.5%～0.6%, Fe2O3含量應<0.04%。另外, 在電真空瓷件中, 工業氧化鋁不得含有氯化物、氟化物等, 因為它們能侵蝕電真空裝置。
2、電熔剛玉
電熔剛玉是以工業氧化鋁或富含鋁的原料在電弧爐中熔融, 緩慢冷卻使晶體析晶出來, 其Al2O3含量可達99%以上, Na2O含量可減少至0.1%～0.3%。電熔剛玉的礦物組成主要是α-Al2O3, 純正的電熔剛玉呈白色, 稱為白剛玉;熔制時加入氧化鉻, 可制成紅色的鉻剛玉;加入氧化鋯時可制成鋯剛玉;電熔剛玉中含有TiO2則稱鈦剛玉。這一系列的電熔剛玉由于熔點高、硬度大, 是制造高級耐火材料、高硬磨料磨具的優質原料 (剛玉熔點為2 050 ℃, 莫氏硬度為10) 。
氧化鋁陶瓷的應用
機械方面
氧化鋁瓷燒結產品的抗彎強度可達250MPa，熱壓產品可達500MPa。氧化鋁陶瓷的莫氏硬度可達到9，加上具有優良的抗磨損性能等，所以廣泛地用于制造刀具、球閥、磨輪、陶瓷釘、軸承等，其中以氧化鋁陶瓷刀具和工業用閥應用最廣。
1、純氧化鋁陶瓷刀具
氧化鋁陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬質合金刀具高，可大幅提高對不同材料的切削效率。隨著科學工作者的大量研究，添加其它成分構成兩相或以固溶體形式存在于基體之中的氧化鋁基復合陶瓷和晶須增強陶瓷中。這些技術彌補了純氧化鋁陶瓷的不足，從而提高了它的切削性能和耐用度。
2、復合氧化鋁陶瓷刀具
氧化鋁-碳化物陶瓷刀具，是在氧化鋁中添加一定的碳化物，以提高它的強度、耐磨性、抗沖擊性以及高溫性能等。由于添加了金屬，提高了氧化鋁與碳化物的連接強度，改善了使用性能，此類陶瓷刀具適合于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料等。
3、增韌氧化鋁陶瓷刀具
增韌氧化鋁陶瓷刀具是指在氧化鋁基體中添加增韌或增強材料。目前常用的增韌方法有：ZrO2相變增韌、晶須增韌、第二相顆粒彌散增韌等。
電子/電力方面
在電子、電力方面，有各種氧化鋁陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各種氧化鋁陶瓷電絕緣瓷件、電子材料、磁性材料等，其中以氧化鋁透明陶瓷和基片應用最廣。
1、氧化鋁透明陶瓷
當前透明陶瓷是材料領域研究和應用的重要前沿方向。透明陶瓷作為一種新興材料，除了本身具有寬范圍的透光性外，還具有高熱導率、低電導率、高硬度、高強度、低介電常數和介電損耗、耐磨性和耐腐蝕性好等一系列優點。
2、氧化鋁陶瓷基片
氧化鋁陶瓷基片具有機械強度高、絕緣性好、避光性高等優良性能，廣泛用于多層布線陶瓷基片、電子封裝及高密度封裝基片。
化工方面
在化工應用方面，氧化鋁陶瓷也有較廣泛的用途，如氧化鋁陶瓷化工填料球、無機微濾膜、耐腐蝕涂層等，其中以氧化鋁陶瓷膜和涂層的研究和應用最多。
醫學方面
在醫學方面，氧化鋁更多的是用于制造人工骨、人工關節、人工牙齒等。
優點：氧化鋁陶瓷具有優良的生物相容性、生物惰性、理化穩定性及高硬度、高耐磨性，是制備人造骨和人造關節的理想材料。
缺點：脆性大、斷裂韌性低、機加工技術難度高、工藝復雜等。
建筑/衛生/陶瓷方面
在建筑衛生陶瓷方面，產品隨處可見，如氧化鋁陶瓷襯磚、研磨介質、輥棒、陶瓷保護管以及氧化鋁質耐火材料等。其中以氧化鋁球磨介質應用最廣。
其它方面
氧化鋁陶瓷是目前新材料中研究最多、應用最廣的材料之一，除了以上的幾種應用外，它還廣泛應用于其它一些高科技領域，如航空航天、高溫工業爐、復合增強等領域。
氧化鋁陶瓷常見缺陷分析
氧化鋁陶瓷的制備會經歷較多生產工序，在過程中物料與機械、設備、工具、器皿、環境接觸機會較多，因此，出現污染及瓷件質量問題的因素也較多。一般情況下，氧化鋁陶瓷燒成后常見的有關顏色的質量問題有：
（1）瓷件表面有斑點，如黑點、棕點、紅點；
（2）瓷件表面產生斑塊，如暗斑(陰斑)，黑色云斑、亮斑等；
（3）瓷件有色差現象，如整體發黃或發灰；
（4）瓷件呈現淡黃色。
