氧化鋁陶瓷不僅具有高絕緣性、高隔熱性、耐腐蝕、硬度高等優(yōu)點，且來源廣泛，價格較低，是目前世界上生產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的陶瓷材料之一，廣泛應(yīng)用在機械加工、電子電力、化工、航天等領(lǐng)域。然而，由于Al₂O₃晶體原子半徑小，離子鍵強大，晶格能較高，需要在極高的溫度（2050℃）下才能克服強烈的離子鍵作用，從而使其熔化、燒結(jié)，這不僅需要消耗大量的能源，對熱工設(shè)備的要求也高，更重要的是，較高的溫度還極易使晶粒異常長大，導致結(jié)構(gòu)不均勻，甚至出現(xiàn)大的內(nèi)部封閉氣孔，降低了晶粒間的結(jié)合強度，導致材料的性能下降。因此，無論是出于降低能耗、節(jié)約成本，還是為了提高使用性能，研究氧化鋁陶瓷的低溫燒結(jié)技術(shù)都顯得尤為重要。

目前主要有3種方法可以降低氧化鋁的燒結(jié)溫度：

1、減小氧化鋁粉末的粒度；

2、采用其他先進的低溫燒結(jié)技術(shù)；

3、加入燒結(jié)助劑。

由于采用細粉的原料成本較高，而微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等低溫燒結(jié)技術(shù)工藝要求高、設(shè)備成本高，因此，與前兩種方法相比，只需往氧化鋁粉體原料中添加燒結(jié)助劑的方法具有成本低、效果好、工藝簡便的優(yōu)點，是目前最有效、可行度最高的一種低溫燒結(jié)方法。

氧化鋁低溫燒結(jié)助劑的分類和機理

燒結(jié)助劑促進氧化鋁致密化的作用機制十分復雜，根據(jù)不同的燒結(jié)助劑中陽離子對燒結(jié)的促進作用不同，大致可分為以下四種：與氧化鋁形成固溶體、燒結(jié)過程中與氧化鋁形成低共熔體系、與氧化鋁生成新相及原料中含有低熔點的玻璃相促進液相燒結(jié)。

1、與氧化鋁形成固溶體

燒結(jié)助劑與氧化鋁的置換固溶是促進氧化鋁燒結(jié)致密化的重要機理。氧化鋁與燒結(jié)助劑在高溫下進行固溶置換時，一方面，溶質(zhì)原子將會取代溶劑原子在晶格中的位置，由于陽離子與Al³⁺半徑存在差異，將會造成晶格畸變而產(chǎn)生晶格缺陷，另一方面，由于陽離子與Al₂O₃價態(tài)不同，而晶體趨于電中性的特點導致晶體內(nèi)部形成了陽離子空位，造成晶格收縮，這種晶格缺陷和陽離子空位有利于活化晶格，增大擴散速率，使氧化鋁陶瓷易于重結(jié)晶，達到了促進燒結(jié)、降低燒結(jié)溫度的目的。通常，能與氧化鋁形成固溶體的燒結(jié)助劑是一些晶格常數(shù)與Al₂O₃相近的氧化物，大多含變價元素，如TiO₂、Cr₂O₃、Fe₂O₃、MnO₂等。

固溶置換造成的晶格缺陷

2、燒結(jié)過程中與氧化鋁形成低共溶體系

低共熔溶劑是由兩種或兩種以上的固體通過氫鍵作用形成的共晶混合物，由于氫鍵受（HBA）體的陰離子和氫鍵供體（HBD）之間存在的強相互作用以及HBD供氫和HBA組分引起的電荷離域，其熔點會低于各單一組分的熔點。例如在積雪上撒鹽的原理，就是利用了低共熔的原理使得積雪融化。

冰+鹽低共熔體系的典型應(yīng)用

在氧化鋁的低溫燒結(jié)中，通過加入可以與其他成分物質(zhì)構(gòu)成二元、三元或多元低共熔體系的燒結(jié)助劑，如SiO₂、CaO、MgO、SrO、BaO等，當加熱到最低共熔溫度時開始出現(xiàn)液相，由于共熔溫度較加入助劑之前的理論燒結(jié)溫度低，從而實現(xiàn)了低溫燒結(jié)。

3、燒結(jié)過程中與氧化鋁形成新相

在進行氧化鋁的燒結(jié)時，添加有些燒結(jié)助劑（如MgO、SiO等）后會與氧化鋁發(fā)生固相反應(yīng)，生成鎂鋁尖晶石、莫來石等第二相，而第二相的形成可以活化晶格，促進氧化鋁的燒結(jié)。一般來說，第二相的生成往往不是單獨作用，而是伴隨著產(chǎn)生液相、固溶體等其他機理，起到輔助促進燒結(jié)的效果。值得一提的是，產(chǎn)生的新相在改善氧化鋁陶瓷性能方面具有重要的作用。如MgO在Al2O3表面形成的鎂鋁尖晶石，可以降低界面能，減少晶界的擴散速率，有效地抑制Al2O3晶體的生長，起到穩(wěn)定劑的作用。

氧化鋁和氧化鎂反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石示意圖^[2]

4、利用本身具有低熔點的玻璃相形成液相

在陶瓷燒結(jié)過程中，引入的具有低熔點的玻璃相物質(zhì)（如硼酸鹽等），會隨著溫度升高逐漸發(fā)生從固相到液相的轉(zhuǎn)變，玻璃相的粘度也隨之改變，在某一溫度下當粘度減小到開始產(chǎn)生粘滯流動時，由于毛細管壓力，可以促進生坯中粉粒的重新排列，達到更緊密的空間堆積，同時促進坯體中的小顆粒或固相顆粒的尖凸部在液相中溶解，通過液體擴散，凝析在粗顆粒的表面，加快反應(yīng)進程，從而在較低的溫度下實現(xiàn)陶瓷的燒結(jié)。目前，利用低熔點的玻璃相燒結(jié)助劑，可以將氧化鋁的燒結(jié)溫度降至900℃左右。

燒結(jié)助劑選配原則

單一助劑通常不能同時滿足其燒結(jié)和機電性能的要求，有些情況下單一助劑在降低燒結(jié)溫度的同時會導致陶瓷性能的降低。因此，在實際生產(chǎn)過程中，往往需要搭配采用多種不同助劑組成的復合添加劑。

為了使燒結(jié)助劑作用最大化，同時不影響材料的使用性能，選配復合助劑時首先要遵循以下原則:

（1）不同助劑之間應(yīng)具有協(xié)同促進燒結(jié)的作用，多種不同機理的燒結(jié)助劑復合添加與單一助劑相比可以更好的降低燒成溫度；

（2）不同助劑之間最好不發(fā)生反應(yīng)，否則會減弱或抵消其促燒作用；

（3）不同助劑之間可以起到相互補充的作用，一種助燒劑在促進燒結(jié)的同時對材料性能產(chǎn)生的不利影響可以由另一種助劑進行彌補。

在具體選用不同助劑組成復合助劑的時候，對于形成低共熔體系的添加劑一般主要以玻璃形成體如SiO₂為主，輔以玻璃中間體BeO、ZnO等和玻璃調(diào)整體MgO、Li₂O、BaO、CaO、Sr₂O等形成MgO-Al₂O₃-SiO₂(MAS)，CaO-Al₂O₃-SiO₂(CAS)，Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ (LAS)等燒結(jié)助劑體系。對于高純氧化鋁陶瓷，通常都選用MgO作為基本的燒結(jié)助劑進行添加，形成鎂鋁尖晶石新相，構(gòu)建低共熔體系，但是MgO的高溫揮發(fā)性會使陶瓷表面產(chǎn)生大的晶粒，對氧化鋁性能產(chǎn)生一定的影響，因此需要輔以其他燒結(jié)助劑，減小氧化鋁的晶界長大速率，如可采用MgO和La₂O₃或Y₂O₃等復合的形式加入到氧化鋁陶瓷中。目前，通過科研人員實驗證明，比較常用的復合助劑包括CaO-MgO-SiO₂體系、MnO₂-TiO₂-MgO體系以及CuO-SiO₂體系均能在顯著降低燒結(jié)溫度的同時，起到細化晶粒、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、改善材料力學性能等作用。

參考來源：

1、李悅彤,楊靜.氧化鋁陶瓷低溫燒結(jié)助劑的研究進展[J].硅酸鹽通報.

2、陳偉鵬.氧化鎂—氧化鋁原位合成鎂鋁尖晶石反應(yīng)行為的研究[D].蘇州大學.

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