氧化鋁陶瓷是以 α-Al₂O₃ 為主晶相的氧化物陶瓷，憑借優異的力學性能、熱學性能和化學穩定性等，成為目前世界上生產量最大、應用面最廣的陶瓷材料之一，廣泛應用在機械、電子、化工、航天等領域。不過與眾多陶瓷材料一樣，其燒結時在高溫下將坯體中的空氣不斷排出的過程，因此不可避免的發生的體積收縮。而陶瓷收縮不均勻將會導致的內應力集中，出現變形和開裂等問題，從而影響陶瓷的物理和化學性能，因此減少氧化鋁陶瓷部件制造過程中的收縮對于，提高尺寸精度以及復雜形狀部件的微觀結構和性能的均勻性尤為重要。

陶瓷燒結階段

從現有的技術看，氧化鋁降低收縮率的燒結方式可分為兩種，一種是在二維方向上控制，即控制平面不發生收縮，而對于厚度方向上的收縮比較少干預，主要是用于生產LTCC陶瓷基板等薄片型的陶瓷材料，防止基板層間變形不均勻會對基板內導帶的相對位置造成偏差，影響后續裝配；另一種則是在三維方向上控制，即控制所有方向上的收縮。

一、平面降低收縮率的方式

LTCC陶瓷基板是將印刷、填孔后的生坯層壓再共同燒結形成的，此過程中工藝參數、工裝夾具、壓燒環境、設備功能等都對加工得到的LTCC基板的收縮率有明顯影響。目前，降低LTCC陶瓷基板的平面收縮率的方法主要有如下幾種：

1、壓力輔助燒結法

壓力輔助燒結的關鍵是采用特殊的燒結爐，對LTCC生瓷帶表面施加持續恒定的壓力進行共燒。由于燒結過程中強制壓力的存在，可以阻止基片在水平方向上的收縮行為，平面收縮率可控制在0.01%±0.008%之內。不過，該方式采用了壓力，對設備要求較高，且不適用于有空腔結構的基板燒結。

2、無壓力輔助燒結法

無壓力輔助燒結法是在生瓷片層壓后，在底部和頂層疊壓一定厚度的非收縮生瓷帶 (犧牲層) ，然后在不借助任何外部壓力的情況下進行燒結，燒結完成后再研磨掉底部和頂層的犧牲層即可。由于犧牲層與坯體間存在摩擦力，可抑制LTCC生瓷帶在平面方向的收縮（平面收縮率可控制在0.1%之內, 收縮一致性誤差小于0.05%, ），使得收縮幾乎只發生在厚度方向。相比壓力輔助燒結法，該方法對設備要求不高，但去除犧牲層的工藝比較復雜。

3、自約束燒結法

自約束燒結是采用自身抑制平面方向收縮特性的方式進行燒結，通常是利用三層結構或夾心結構來實現自約束。

三層結構是由上下層玻璃與陶瓷的混合物和中間鎖緊層 (燒結完成的氧化鋁多孔介質) 組成。在燒結過程中，由于燒結完的多孔介質在高溫下可一直保持較高的機械強度，能夠抵抗上下層燒結時出現的收縮應力，而上下兩層混合物中的玻璃成分也會熔化滲透到中間多孔結構中，因此可得到致密且平面低收縮率的LTCC基板。

三層結構LTCC陶瓷基板燒結前后示意

采用夾心結構燒結是利用不同成分的生坯片燒結溫度不同的原理，一般上下兩層是正常溫度燒結層，而中間層則是加了燒結助劑的低溫燒結層。在低溫燒結階段，中間層開始燒結致密，而和上下兩層之間的摩擦力限制了其水平方向上的收縮。當燒結溫度升高，上下兩層進行少將誒時，已燒結完成的中間層又反過來抑制上下兩層的收縮。最后同樣可獲得零收縮的致密LTCC基板。

二、三維方向降低收縮率的方法

相比于利用厚度方向的過量收縮彌補氣孔排出后導致的體積減小的燒結方式，三維方向降低收縮率的方法主要是依靠組分體積的膨脹來實現。目前主要有反應燒結、相轉變燒結法和預燒粉填充法等：

1、反應燒結法

反應燒結法是指在一定溫度下，陶瓷坯體通過一系列氣相、液相、固相的化學反應，最后得到致密化燒結體的過程。該方法應用于氧化鋁陶瓷燒結中，可在Al₂O₃粉末中摻雜一定比例的AI粉，再壓制成陶瓷坯體。在高溫下燒結時，Al 粉會反應轉化為 Al₂O₃，并引起體積膨脹，這種體積膨脹可彌補Al₂O₃ 高溫燒結時產生的體積收縮，因此可制備出收縮率低的氧化鋁陶瓷。利用這種方法，得到的氧化鋁產品強度較高，但是由于涉及鋁粉的反應，工藝過程較為復雜，生產周期較長，且鋁粉較為活潑。在堿性條件下會被腐蝕釋放出氫氣，存在一定的安全問題。

2、相轉變燒結法

有些物質在高溫下進行相轉變時會發生體積的膨脹，如不穩定相的藍晶石（Al₂O₃含量占 63.1%，SiO₂含量占36.9%的高鋁礦物）在高溫下轉變成莫來石相的過程中，會發生體積膨脹（膨脹率為15-16%）。而相轉變燒結法就是指利用原料在燒結過程中發生相變時產生的體積膨脹來彌補高溫燒結致密化過程中帶來的體積收縮。在燒結氧化鋁時，通常是在氧化鋁中摻雜藍晶石、透鋰長石來抵消燒結過程帶來的體積收縮，從而制備出低收縮率的氧化鋁陶瓷。相比反應燒結法，該方法工藝較為簡單，不過符合條件的體系較少，且僅適用于生產形狀簡單的陶瓷產品。

藍晶石粉（來源：山東鋯石新材料科技有限公司）

3、預燒粉填充法

預燒粉填充法是將預燒過的氧化鋁按一定比例替代原料中的氧化鋁粉進行燒結，由于預燒過的氧化鋁粉哎預燒時就已經排出了其中的空氣，因此利用其與未預燒的氧化鋁粉在高溫下進行燒結時，體積收縮較不明顯。相比反應燒結發，其成本相對較低，工藝簡單。而與相轉變法相比，則有望制備出大尺寸、高尺寸精度和復雜形狀的低收縮氧化鋁陶瓷。不過預燒粉因為燒結活性降低，之間的結合力不夠，會導致燒結體強度不高。

小結

氧化鋁陶瓷在高溫致密化過程不可避免的產生收縮，對陶瓷部件的精度造成不利影響，目前來說，在平面上降低收縮率的方式較為成熟，可實現工業化生產，但在三維方向上降低收縮率的技術仍相對比較落后，存在工藝復雜、影響機械性能等問題，在批量生產的穩定性和收縮一致性如何還有待進一步觀察。

參考文獻：

1、馬征. 氧化鋁陶瓷精密部件制備技術的研究[D].青島科技大學.

2、寇凌霄.低溫共燒陶瓷(LTCC)燒結收縮率的控制[J].微處理機.

3、李衛聊科技.陶瓷的零收縮燒結是怎么回事？

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