氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（AL2O3）为主体的材料，用于厚膜集成电路。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。需要注意的是需用超声波进行洗涤。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷。因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要.

类别

氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。

高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650—1990℃，透射波长为1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚：利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。

普通型氧化铝陶瓷系按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。

制作工艺

粉体制备 将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。粉体粒度在1μm微米以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99%外，还需超细粉碎

且使其粒径分布均匀。采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，一般为重量比在10－30%的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150－200温度下均匀混合，以利于成型操作。采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加1～2%的润滑剂，如硬脂酸，及粘结剂PVA。

欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Al203喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有很好的流动性。喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度小于30℃。颗粒级配比理想等条件，以获得较大素坯密度。

成型方法

氧化铝陶瓷制品成型方法有干压、注浆、挤压、冷等静压、注射、流延、热压与热等静压成型等多种方法。近几年来国内外又开发出压滤成型、直接凝固注模成型、凝胶注成型、离心注浆成型与固体自由成型等成型技术方法。不同的产品形状、尺寸、复杂造型与精度的产品需要不同的成型方法。

摘其常用成型介绍：

1、干压成型：氧化铝陶瓷干压成型技术仅限于形状单纯且内壁厚度超过1mm，长度与直径之比不大于4∶1的物件。成型方法有单轴向或双向。压机有液压式、机械式两种，可呈半自动或全自动成型方式。压机最大压力为200Mpa。产量每分钟可达15～50件。由于液压式压机冲程压力均匀，故在粉料充填有差异时压制件高度不同。而机械式压机施

加压力大小因粉体充填多少而变化，易导致烧结后尺寸收缩产生差异，影响产品质量。因此干压过程中粉体颗粒均匀分布对模具充填非常重要。充填量准确与否对制造的氧化铝陶瓷零件尺寸精度控制影响很大。粉体颗粒以大于60μm、介于60～200目之间可获最大自由流动效果，取得最好压力成型效果。

2、注浆成型法：注浆成型是氧化铝陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形复杂的部件。注浆成型的关键是氧化铝浆料的制备。通常以水为熔剂介质，再加入解胶剂与粘结剂，充分研磨之后排气，然后倒注入石膏模内。由于石膏模毛细管对水分的吸附，浆料遂固化在模内。空心注浆时，在模壁吸附浆料达要求厚度时，还需将多余浆料倒出。为减少坯体收缩量、应尽量使用高浓度浆料。

氧化铝陶瓷浆料中还需加入有机添加剂以使料浆颗粒表面形成双电层使料浆稳定悬浮不沉淀。此外还需加入乙烯醇、甲基纤维素、海藻酸胺等粘结剂及聚丙烯胺、阿拉伯树胶等分散剂，目的均在于使浆料适宜注浆成型操作。

烧成技术

将颗粒状陶瓷坯体致密化并形成固体材料的技术方法叫烧结。烧结即将坯体内颗粒间空洞排除，将少量气体及杂质有机物排除，使颗粒之间相互生长结合，形成新的物质的方法。

烧成使用的加热装置最广泛使用电炉。除了常压烧结即无压烧结外，还有热压烧结及热等静压烧结等。连续热压烧结虽然提高产量，但设备和模具费用太高，此外由于属轴向受热，制品长度受到限制。热等静压烧成采用高温高压气体作压力传递介质，具有各向均匀受热之优点，很适合形状复杂制品的烧结。由于结构均匀，材料性能比冷压烧结提高30～

50%。比一般热压烧结提高10-15%。因此，目前一些高附加值氧化铝陶瓷产品或国防军工需用的特殊零部件、如陶瓷轴承、反射镜、核燃料及枪管等制品、场采用热等静压烧成方法。

此外，微波烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结技术亦正在开发研究中。

精加工与封装工序

有些氧化铝陶瓷材料在完成烧结后，尚需进行精加工。如可用作人工骨的制品要求表面有很高的光洁度、如镜面一样，以增加润滑性。由于氧化铝陶瓷材料硬度较高，需用更硬的研磨抛光砖材料对其作精加工。如SIC、B4C或金刚钻等。通常采用由粗到细磨料逐级磨削，最终表面抛光。一般可采用<1μm微米的Al203微粉或金刚钻膏进行研磨抛光。此外激光加工及超声波加工研磨及抛光的方法亦可采用。

氧化铝陶瓷强化工艺

为了增强氧化铝陶瓷，显著提高其力学强度，国外新推一种氧化铝陶瓷强化工艺。该工艺新颖简单，所采取的技术手段是在氧化铝陶瓷表面，采用电子射线真空镀膜、溅射真空镀膜或化学气相蒸镀方法，镀上一层硅化合物薄膜，在1200℃～1580℃的加热处理，使氧化铝陶瓷钢化。

经强化的氧化铝陶瓷的力学强度可在原基础上大幅度增长，获得具有超高强度的氧化铝陶瓷。

特点

1. 硬度大

经中科院上海硅酸盐研究所测定，其洛氏硬度为HRA80-90，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。

2. 耐磨性能极好

经中南大学粉末冶金研究所测定，其耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍。根据我们十几年来的客户跟踪调查，在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。

3. 重量轻

其密度为3.5g/cm3，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。

技术指标

性能符合Q/OKVL001-2003技术标准

耐磨陶瓷主要技术指标

项目 指标

氧化铝含量 ≥95%

密度 ≥3.5 g/cm3

洛氏硬度 ≥80 HRA

抗压强度 ≥850 Mpa

断裂韧性KΙC ≥4.8MPa·m1/2

抗弯强度 ≥290MPa

导热系数 20W/m.K

热膨胀系数： 7.2×10-6m/m.K

Al2O3陶瓷材料的增韧

随着科技的发展，现在好多领域都用到了陶瓷材料，因此陶瓷材料越来越受到人类的青睐，特别是氧化铝陶瓷材料。但因氧化铝陶瓷因脆性而限制了其广泛应用。本文对目前氧化铝瓷的增韧方法及主要机理进行了评述，主要有层状复合增韧、纳米复合增韧、纤维（晶须）增韧、自增韧等。其中复合增韧是主要手段。而且纳米技术和微观结构设计将是今后氧化铝提高韧性的发展方向。我相信在增强了器韧性之后，氧化铝陶瓷材料会的到更广泛的应用。

氧化铝陶瓷材料的结构属于刚玉型，其本身具有离子键的特性，使得滑移系统远没有金属那么多，这导致其缺乏一定的韧性、塑性。所以表现出的断裂韧性较低，通常只有3~4Mpa.m1/2,而显示了脆性，这大大地限制了氧化铝瓷的广泛应用。为此，很多学者研究了如层状增韧、纤维复合增韧等许多方法来提高它的韧性，取得了一定的进展。而最近的研究表明从微观结构设计、纳米复合技术方面来提高韧性有其独特的优势。

一、增韧方法

1.1 层状增韧

天然生物材料如竹、贝壳等组成简单，但综合性能很好，是因其结构呈层状分布。人们从这些天然结构得到启示，采用仿生结构来改善陶瓷材料的脆性，提高其韧性。

层状复合陶瓷材料是由多层材料组成。各层的弹性模量、线胀系数不同，进而导致层间产生宏观应力，在表面产生压应力。受到外力作用时，能最大限度地吸收应变能，并且使裂纹沿界面产生反复偏转、拐折。以此达到提高表面性能和整体韧性的目的。成茵等[1]的Al2O3/Ni层状陶瓷，利用镍的线胀系数约为氧化铝的)倍,在Al2O3层产生应压力，裂纹偏转能力大，所以该材料有较好的韧性。Zimovcak研制的Al2O3 / Al2O3+ZrO2层状材料，也是利用从烧结温度冷却时，因线胀系数的不同产生而残余压应力，促使界面裂纹偏转来提高韧性。

陈蓓等[3] 制备的层状ZTA复合陶瓷在相对密度为99%时，断裂韧性达20Mpa.m1/2。

Tomaszewski在研究TZP/Al2O3层状陶瓷时发现，残余应力会引起裂纹扩展阻力增加，并产生偏转而韧性得以提高。

层状陶瓷是一新型材料，前景广阔，但其缺点主要是弱夹层会降低材料强度，平行和垂直于夹层方向的性质差别较大，呈各向异性。所以有人提出了采用强夹层的思路,制备出了ZTA/ Al2O3强夹层，冲击韧性达10 Mpa.m1/2以上，是ZTA材料的2.8倍，Al2O3陶瓷的5.6倍。常旭等通过计算机对层状复合陶瓷进行了模拟，发现如果软层材料的强度太高、太低都会降低整体韧性，而提高硬、软层层厚和弹性模量之比，硬层均匀性均可提

高陶瓷韧性。这为层状增韧陶瓷提供了一定的研究思路和优化途径。

1.2 纤维复合增韧

研究表明，连续纤维对陶瓷的增韧效率较其他增韧方法大，是迄今为止陶瓷系列所能达到的最高韧性，可以达20Mpa.m1/2左右。因而成为改善陶瓷材料脆性非常有效的途径。

该方法把强度、弹性模量较高的纤维分散在陶瓷基体中。复合材料在外力作用下，一部分载荷由纤维承担，以此来减轻基体本身的负荷。而且，基体中的纤维在承受力大于其强度发生断裂时，纤维产生拔出机制。此外，这些纤维在基体中也存在裂纹桥联、偏转来阻止裂纹的扩展。这3种增韧机制共同作用使陶瓷材料的韧性提高很多。

目前，用于Al2O3陶瓷的纤维主要有C纤维、SiC纤维、硅酸铝纤维等多种。研究发现，提高纤维的长径比可提高增韧效果。在纤维的使用形式上，采用纤维,的三维编织物增韧效果较好。谢征芳用C纤维的编织物来增韧Al2O3材料，由于断口表面有大量的纤维拔出，呈典型的韧性断裂模式，所以断裂韧性较高。

与纤维类似，目前采用晶须增韧Al2O3瓷的也较多，效果也很好。因晶须是以单晶结构生长、直径极小（通常小于3 um）的短纤维。其晶体缺陷少，原子排列高度有序，强度接近相邻原子间成键力的理论值。理论和实践证明，把它应用于陶瓷的增韧，对提高韧性有一定作用。如把SiC晶须（体积分数可达20%～30%）引入Al2O3基陶瓷中[9],段韧性可达8～8.5 Mpa.m1/2,但1000。C以上，韧性切有所下降。

李国星在Al2O3微粉中加入MgB2,于900。C生长出竹节状仿生MgO晶须，对韧性的提高起到了很好的作用。

Pettersson 用体积分数为30%的Ti(C,N) 晶须，使Al2O3瓷的断裂韧性提高到5.0 Mpa.m1/2以上。

晶须增韧的机制除了拔出、裂纹偏转、裂纹桥联、钉扎等机制外，自身强度高也是一个原因。因此在理论上，提高晶须强度、降低其弹性模量，提高长径比能提高增韧效果。

近年来，纳米管因其自身的优异性能而倍受人们的关注。其弹性模量、强度等性能优越。把诸如纳米C管之类的管状、棒状等纳米材料用于Al2O3陶瓷的增韧，可能会有意想不到的效果。现在这方面的报道还不多。

纤维、晶须增韧Al2O3瓷的缺点就是混合均匀性很难保证。

1.3 自增韧

所谓自增韧，就是在一定的工艺条件下，生长出增韧、增强相。它在一定程度上消除了基体相与增韧相在物理或化学上的不相容性，而保证了基体相与增韧相的热力学稳定性。

对于Al2O3陶瓷而言，异向生长晶粒增韧Al2O3成为克服氧化铝瓷脆性的研究热点。其主要机理是通过工艺措施，控制Al2O3晶粒的生长方向，使其沿某些晶面优势生长成棒状、长柱状，起到类似晶须的增韧作用。在受到外来载荷时，裂纹尾部产生桥联方式；而且这些异向生长的Al2O3也会产生拔出、裂纹偏转等增韧机制，而使整个氧化铝陶瓷的韧性得到提高。

仝建峰等[14]研究的Al2O3-SiO2-CaF2系统在1570。C下，利用氟化物的助熔作用促使Al2O3晶粒生长出长径比达10的柱状晶，并且呈网状分布。在断裂时不但起到纤维

增韧作用，而且还有拔出增韧机制引起的穿晶断裂。这比一般多晶陶瓷的沿晶断裂耗能多，使其断裂韧性在5.25 Mpa.m1/2以上。此外，他还发现CaF2柱柱状晶的形成，而加CaO的系统中Al2O3基本呈椭球状或球状，断裂韧性较低。

刘彤等在1600。C下制备出长径比在5以上的柱状Al2O3，试表明，也导致了穿晶断裂，断裂韧性在6.7 Mpa.m1/2左右。

Liu等在1575。C下反应烧结原位合成的SrAlO19棒晶，断裂韧性达10.2 Mpa.m1/2。

这些都在一定程度上说明了棒状、长柱状甚至针状Al2O3在基体中的出现，能使传统Al2O3瓷的断裂方式有所改变，而呈耗能较多的穿晶断裂。因而断裂韧性可提高60%以上。

所以，在Al2O3基陶瓷中如何才能生长出性能较好，呈三维网状分布的棒状、长柱状甚至针状Al2O3晶粒或相容性好的其他棒晶，提高自增韧性能还需要进一步研究。

1.4 相变增韧

这是研究比较早而且普遍的一种增韧方。它是人为地在材料中造成大量的极细裂纹，以吸收能量、阻止裂纹扩展。其中主要集中在ZrO2的的马氏体相变研究上，比较成功的有ZTA,ZTM等陶瓷材料。ZrO2弥散在Al2O3基体中，由于二者的线胀系数不同，冷却时，ZrO2颗粒受到压应力，相变受阻。而后，在材料受到外力作用时，ZrO2颗粒上的压力得到松弛，四方相转变为单斜相，体积膨胀后在基体中产生微裂纹，而吸收主裂纹的能量，达到增韧效果。这就是应力诱导相变增韧机制。

其中，亚稳四方、立方ZrO2的稳定主要靠掺入添加剂后形成的氧离子空位以及阳离

子的尺寸、电荷、浓度来得以保证。Basu发现加入Y2O3后形成的氧空位浓度增加会使ZrO2- Y2O3系统的紊乱度增加。此外四方ZrO2临界尺寸下降，四方相向单斜相转变的自由能增加，这些都会提高四方ZrO2的稳定性，使之维持到室温。在ZrO2中掺Y2O3产生的缺陷反应为：

Y2O3——ZrO2——＞2Yzr’+3OO+VO..

这样制备出的ZTA陶瓷，断裂韧性在7.66.7 Mpa.m1/2以上 ,高者达到15

Mpa.m1/2。采用摩尔分数为20%YTZ和Al2O3粉末混合制得的材料在1650～1700。C有很好的超塑性。陈德永等用体积分数为10%～30%的ZrO2制备ZTA陶瓷时发现，ZrO2用量在体积分数为20%时增韧效果最好。

在增韧机理中，除了ZrO2的诱导相变机制外，相变产生体积膨胀，在裂纹区域向不发生相变区挤压现象，使裂纹呈闭合趋势，扩展困难，也可以提高韧性。

此外，ZrO2颗粒弥散在基体中，还起第2相细化晶粒的作用。于庆华等[22]把纳米技术引入ZTA增韧陶瓷的研制上，利用纳米粉末的巨大表面积来降低烧结温度，抑制晶粒异常长大来提高韧性。其中，晶内型是纳米粒子在晶粒内产生微裂纹、次界面，削弱主晶界作用并降低尖端弹性模量，使裂纹扩展减缓。而晶间型是ZrO2颗粒弥散在Al2O3晶界，产生钉扎，进而导致穿晶断裂，韧性得到提高。

所以，ZrO2在Al2O3瓷中的作用是以相变增韧为主的复合增韧。

按道理，有类似ZrO2马氏体相变的材料皆可作为增韧相，但目前其它相变增韧相在陶瓷材料的研究中不多见。而且在高温下，这些相变会反向，增韧作用失效。鉴于此Zhou

等研讨了相变SiC晶须和相变SiC颗粒对Al2O3瓷韧性的影响，发现二者能相互影响，其协同效应能提高陶瓷韧性，克服了高温下PSZ增韧性能差的缺点。

1.5 弥散增韧

目前这方面应用的主要还是Zener增韧增强理论。加入基体的微细粉，靠产生钉扎作用来抑制晶界移动，细化晶粒来提高韧性。

添加的粉末种类较多，其中金属的塑性好，曾一度受到人们的关注。材料在受力时，金属的塑性变形能消耗一部分负荷的能量，以弥补陶瓷缺乏塑性的弱点。另一方面，金属与陶瓷的线胀系数相差较大，冷却时，金属的收缩大于陶瓷而在陶瓷晶界表面产生压应力，晶界得到加强，造成穿晶断裂的可能性增加，韧性提高。如李国军以Ni为弥散相，Ni颗粒位于三角晶界，随着含量的增加，断裂方式由沿晶转为穿晶断裂。在一定范围内，Ni含量增加，穿晶断裂的比例会上升，韧性可提高35%左右。

除了Ni以外，还有Cu,Mo,Cr,W,Co等多种。它们能使基体晶粒细化，产生裂纹桥联机制而增加Al2O3瓷的韧性。但金属的含量增加，材料的强度、硬度下降。研究发现，金属与陶瓷的润湿性对整个材料的韧性等性能有很大影响。最初是想集金属、陶瓷的优点于一身，但事与愿违。只有Co,Ni等少数金属及合金对某些碳化物的润湿性好，获得的金属陶瓷性能比较好，如WC+Co刀具材料，而其他材料的效果却不很理想。

从物理化学角度来说，提高组分细度、分散度及表面缺陷，可增加表面能，改善润湿性等性能。而现在的研究热点———纳米粉末材料，具备表面能大、缺陷多等特点，对润湿性的改善应该说有很好的效果。这又为金属陶瓷燃起了新的希望，所以近年来有很多人在从事这方面的工作。

非金属粉末有高的弹性模量和强度，加到基体材料中后，多半存在于晶界，因此形成的复合材料的韧性、强度比添加金属粉末的要高，尤其是高温断裂韧性。其增韧机制与添加的金属相似，主要也是组织细化、裂纹偏转，使Al2O3瓷韧性可提高一倍多。

近来有许多学者在研究用金属间化合物作弥散相。该化合物性能介于金属与陶瓷之间，硬度、熔点都比较高。作为第2相仍可细化晶粒、与基体发生桥联、钝化裂纹等作用，对提高高温断裂韧性有一定的作用。但其塑性差，以其塑性来提高陶瓷的韧性，效果不是很好。

Tuan等研究了NiAl,NiAl(Fe)颗粒对Al2O3瓷的增韧效果，发现加NiAl(Fe)的韧性比加NiAl要高50%。这是因为在Al2O3- NiAl(Fe)系统中裂纹桥接是主要增韧机制。

除了这些，还有用C,Al2TiO5作弥散相的[30]，也取得了一定的成效。

1.6 细晶增韧

对于传统多晶材料来说，晶粒愈小，强度愈高，韧性也有一定程度的提高。它的强化原理就是利用著名的Hall-Petch关系。而韧化原理是，晶界处的质点比晶粒内质点联系弱，所以多晶材料尤其是脆性材料的破坏总是以沿晶断裂为主。在材料受力沿晶界破坏时，裂纹扩展的路程是迂回、曲折的。晶粒愈细，扩展路程愈长，韧性因此得到提高。

这种方法对强度的提高效果较好，而在微米级晶粒范围，对韧性的提高作用不是很大。就现在发展的纳米材料而言，从理论上分析，其韧性要比常规材料高。主要是因为界面的各向同性以及在界面附近很难有位错塞积现象发生，这大大降低了应力集中使微裂纹的出现与扩展的几率也大大下降。如TiO2纳米晶粒尺寸在小于100nm时，断裂韧性比常规多

晶、单晶TiO2高。但在纯Al2O3材料的研究上，不是很成功。

因此，单纯以细晶来增加Al2O3的韧性，可行性很小。要结合其他韧化因素发挥协同韧化作用，才能更好地克服Al2O3瓷的脆性。

结束语：

Al2O3的增韧是研究领域的一个热点，从以上多种方法来看其增韧机理主要是：

（1）在裂纹尖端周围分布有非弹性变形区域，如相变增韧。

（2）由纤维、第%相等引起的裂纹桥联、裂纹偏转，拔出效应。

从研究情况来看，这些理论及方法都未能从根本上解决如Al2O3一类陶瓷的韧性。而纳米复合增韧有望解决这一问题，将是今后陶瓷类材料增韧的一个主要手段及研究方向。此外，还可以从材料设计结合仿生学来设计其微观结构，并且有必要建立新的理论和方法，彻底改善Al2O3陶瓷的韧性问题。

二、氧化铝陶瓷的应用

1、 Al2O3 陶瓷性能简介

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广用途最宽产量最大的陶瓷材料。

据研究报道Al 2O3有12种同质多晶变体但应用较多的主要有 3 种 即α - Al 2O3 、β-Al2O3 和γ -Al2O3 这3 种晶体的结构不同 故它们的性质具有很大的差异。

（1） α - Al 2O3

α - Al 2O3是三方晶系，单位晶包是一个尖的菱面体，密度为3.96~ 4.01g/cm³其结够最 紧密、化学活性低、高温稳定性好、电学性能优良并且机械性能也最佳，在一定条件下可以由其它的两种晶体转换而来。

（2） β-Al2O3

β-Al2O3是 一 种Al 2O3 含量很高的多铝酸盐矿物，密度为3.30 3.63g/cm³，它的化学组成中含有一定量的碱土金属氧化物和碱金属氧化物并且还可以呈现离子型导电。

（3） γ -Al2O3

γ -Al2O3是尖晶石型立方结构，密度为3.42~3.47g/cm³。它的氧原子呈立方紧密堆积，铝原子填充在间隙中，这就决定了它在高温下不稳定、力学和电学性能差的缺陷，在科学应用中很少单独制成材料使用。但它有较高的比表面积和较强的化学活性，经过技术改进可以作为吸附材料使用。

在制Al 2O3原料方面，如果对于纯度要求不高的Al 2O3，一般是通过化学方法来制备。以铝土矿为原料，通过烧结、溶出、脱硅、分解、煅烧等步骤，把铝土矿中的Al 2O3成分溶解于氢氧化钠 （NaOH）溶液中，将得到的偏铝酸钠（NaAlO2）溶液，冷却至过 饱和态，加水分解就会析出氢氧化铝（ Al (OH)3）沉淀，再将它煅烧即可得到Al 2O3 。但在制备高纯度 Al 2O3 原料时一般不断涌入，将给我国轴承市场带来更大的冲击，因此，用新材料、新技术改造传统轴承产业，提高国内轴承产品的技术含量和附加值，尤其是拉动陶瓷轴承的市场竞争和生存能力，已成为一个重要课题。

我国在陶瓷轴承研究方面起步较晚，国家于1985年开始将陶瓷球轴承研究与开发列入科技攻关项目，并投入了大量资金，一些科研院所和企业也做出了有益的探索，取得了可喜的成果，但目前仍处于试验研究阶段。影响陶瓷材料在球轴承中广泛应用的主要原因，是其难加工性和过高的制造成本。陶瓷轴承的研究还需要在以下几方面进一步探索：一是研究适应范围更宽、润滑条件更恶劣条件下陶瓷轴承的滚动接触性能;二是研究陶瓷轴承相关部件的结构配合设计,以及加工的可靠性和经济性;三是陶瓷轴承相关部件无损检测方法和破坏预测的技术;四是制定陶瓷轴承的检验标准等。相信陶瓷轴承进入实用化阶段已为时不远,其应用前景十分广阔。

三、Al2O3陶瓷的应用

3. 1 机械方面

Al2O3 瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa, 热压产品可达500MPa 。Al2O3 陶瓷的莫氏硬度可达到9，加上具有优良的抗磨损性能等，所以广泛地用于制造刀具、球阀、磨轮、陶瓷钉、轴承等，其中以Al2O3 陶瓷刀具和工业用阀应用最广。

3.1.1 Al2O3 陶瓷刀具

在金属切削过程中，刀具起着主导作用，由于刀具材料的性能不同，其切削性能相差很大。Al2O3陶瓷刀具由于具有硬度高、高温力学性能强、耐磨性能好、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点，大量应用于硬切割、高速干切割、超高速切割等一些难加工材料的切割。

Al 2O3陶瓷刀具的最佳切削速度比一般的硬质合金刀具高，可大幅提高对不同材料的

切削效率。随着科学工作者的大量研究，在制备陶瓷刀具中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制，以及添加其它成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的Al2O3基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯Al2O3陶瓷的不足，从而提高了它的切削性能和耐用度。

3.1.2 纯Al 2O3 陶瓷刀具

纯Al 2O3陶瓷刀具是指仅含有少量氧化物的高纯Al 2O3陶瓷，其中Al 2O3的纯度大于99%。在纯Al 2O3陶瓷中，可以添加ZrO2作为烧结助剂来提高它的断裂韧性。目前普通烧结所制备的Al2O3陶瓷晶粒尺寸都在微米级，而细晶Al2O3陶瓷能够获得较高的强度和断裂韧性以及较好的高温性能，是制备纯Al2O3陶瓷刀具的理想材料。解决这一问题的有效途径是：制备出粒径尺寸在 100nm以下单分散的α - Al2O3粉利用纳米α-Al2O3的高活性，再运用先进的烧结技术在较低的温度下得到细晶Al 2O3，陶瓷有时也可以加入MgO或Y2O3来抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。纯Al2O3陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好，但抗弯强度较低、抗冲击能力差，目前它越来越多被各种复合Al 2O3 陶瓷刀具所替代。

3.1.3 复合Al 2O3陶瓷刀具

在复合陶瓷中，有几种复合方向：Al 2O3- 碳化物陶瓷刀具、Al 2O3-碳化物-金属陶瓷刀具、Al 2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。

Al 2O3-碳化物陶瓷刀具，是在Al2O3中添加一定的碳化物（TiC、WC 、TaC 、NbC 、Mo 2C、Cr 3C2等）以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等。在添加物中，以添加TiC的应用最多，与纯Al2O3陶瓷相比，Al2O3-碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论

是在常温还是高温下都优于纯Al2O3陶瓷。此复合刀具适合于高速粗、精加工耐磨铸铁 、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。

Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具，它是在Al2O3中除了添加碳化物外，还添加少量的粘结金属（如Ni 、Mo、Co、W等）由于添加了金属，提高了Al2O3与碳化物的连接强度，改善了使用性能，此类陶瓷刀具适合于加工淬火钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、镍基和钴基合金以及非金属材料等。它是目前精加工冷硬铸铁轧辊的最佳刀具，并且可以应用于间断切削和有切削液的切削场合。

Al 2O3-氮化物或硼化物陶瓷刀具，是在Al2O3中添加氮化物( 如TiN 等)的Al2O3-氮化物复合陶瓷刀具，具有抗氧化、抗热震性、耐高温高压、耐磨损等性能。其基本性能和使用范围与Al2O3-碳化物-金属陶瓷刀具相当，更适合于间断切削，但其抗弯强度和硬度比Al2O3-碳化物陶瓷刀具低，并且较低的韧性也一直是其得到进一步应用的瓶颈。在Al2O3中添加硼化物（如ZrB2）等作为粘结剂制成的陶瓷刀具，由于其微观结构保持了硼化物的“三维连续性”，因此具有极好的耐冲击性和耐磨性。

3.1.4 增韧Al 2O3陶瓷刀具

增韧Al2O3陶瓷刀具是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有：ZrO2相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。

ZrO2相变增韧是一种有效的增韧方式，当ZrO2在1150℃左右时发生相变时产生体积变化，在基体中诱导出许多裂纹，从而吸收其主裂纹尖端的大部分能量，达到增韧的目的。利用微米级或亚微米级ZrO2相变增韧Al2O3制成的Al2O3 陶瓷刀具，可以有效改善刀具的断裂韧性。

晶须增韧是利用晶须的加强棒作用，常用的晶须有TiC 、SiC、 Si 3N4等。用晶须增韧Al2O3 陶瓷刀具显示出更为优越的抗裂纹扩展能力和抗循环热震性能，它具有强度高、硬度高、导热性好等优点。

第二相颗粒弥散增韧主要是利用弥散颗粒和基质材料膨胀系数和弹性模量的不匹配在材料内部形成残余应力，以达到增韧的目的。第二相颗粒一般使用SiC、TiC等，弥散增韧可以提高刀具的抗断裂性，从而使Al 2O3 陶瓷的韧性明显提高。

3.1.5 Al2O3工业用阀

目前，阀门种类繁多，氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀等。

旋塞阀：它广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中，同时也广泛用于石油化工、煤气、天然气、液化石油气、暖通行业以及一般工业中。

闸阀、截止阀：它可广泛用于自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等体管线上作为调节和截流装置使用。

球阀：球阀的主要特点是本身结构紧凑、密封可靠、结构简单、维修方便、密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯，等在各行业得到广泛的应用。

3. 2 电子电力方面

在电子、电力方面，有各种Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种Al2O3

陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等，其中以Al2O3透明陶瓷和基片应用最广。

3.2.1 Al2O3透明陶瓷

当前透明陶瓷是材料领域研究和应用的重要前沿方向。从上个世纪60 年代初第一块透明Al2O3陶瓷问世以来，透明陶瓷取得了飞跃发展。透明陶瓷作为一种新兴材料，除了本身具有宽范围的透光性外，还具有高热导率、低电导率、高硬度、高强度、低介电常数和介电损耗、耐磨性和耐腐蚀性好等一系列优点。与玻璃材料相比，透明陶瓷除具有高强度、高硬度等优点，还具有更高的韧性和更好的抗表面损坏性能；与单晶相比，透明陶瓷具有更低的制备温度和更短的生产周期，而且在尺寸和结构上更容易控制。透明陶瓷按其应用可以分为两大类：透光、透波性应用和特种光功能应用。

在透光、透波性应用方面，有用透明Al2O3陶瓷制造的新型节能灯具金卤灯、高强度透明装甲材料、红外透波材料等，这些材料是民用和国防装备中的重要材料。MgAl2O4透明陶瓷就是属于这类材料，它既具有陶瓷的特点又具有蓝宝石晶体、石英玻璃的光学性能，可用于透明装甲、照明灯具等。

在特种光功能特性应用方面，有薄膜发光材料、高功率全固态激光器、透明闪烁陶瓷等。薄膜发光材料中的Al2O3材料，已经被证明是最有前景的薄膜发光材料，这是因为它具有高透明、热稳定性好和相对高 的发光亮度等性能。

透光率是透明陶瓷的一个最重要指标，影响它的因素有很多，如原料的纯度和分散性、烧结气体介质、烧成温度制度、添加剂的种类和数量、结构缺陷和气孔晶界双折射等其中晶界双折射对透光率影响较大通过磁场辅助注浆成形制备出Al2O3颗粒具有取向性排列的陶瓷坯体再经过H2气氛烧结即可得到光轴相互平行的多晶透明陶瓷这种方法可以大幅

提高透明陶瓷的透光率因为在强磁场下 Al2O3颗粒的C 轴会沿着磁场方向排列而C 轴就是光轴方面当各个晶粒的光轴相互平行排列时在晶界上的双折射可以大量消除从而提高透光率。

3.2.2 Al2O3 陶瓷基片

Al2O3陶瓷基片具有机械强度高、绝缘性好、避光性高等优良性能，广泛用于多层布线陶瓷基片、电子封装及高密度封装基片。

在制备Al2O3陶瓷基片中常用的成形方法有干压、流延等，而流延成形是目前应用最广的成形方法。流延成形分为非水系和水系：非水系流延成形工艺简单，但会对环境造成污染且成本较高；水系流延成形较环保，且成本较低，但工艺较难。目前，在工业应用中大部分都采用非水系流延成形Al2O3陶瓷基片，利用非水系流延成形可以制备表面光滑、平整、致密度高的Al2O3陶瓷基片，但在制备工艺中，基片的烧结温度高、耗能大。因此可以在Al2O3陶瓷基片中加入一些添加剂以降低烧成温度，如加入Fe-Cr-Mn系黑色色料来制备黑色Al2O3陶瓷基片，可以在其它性能一致的条件下有效地降低Al 2O3 陶瓷基片的烧结温度，减少能耗。

3. 3 化工方面

在化工应用方面，Al2O3陶瓷也有较广泛的用途，如Al 2O3 陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等，其中以Al2O3 陶瓷膜和涂层的研究和应用最多。

3.3.1 Al2O3陶瓷膜

膜分为有机高分子膜和无机膜等，自20世纪80年代以来，Al2O3陶瓷膜特别是多孔Al2O3陶瓷膜的研制与开发得到了大幅度的提升，在膜领域占据了重要的地位。陶瓷膜与有机高分子膜相比有以下特点：

(1) 耐高温、热稳定性好，在高温下仍能保持其性能不变；

(2) 高强度，在很大压力梯度操作下，不会被压缩或产生蠕变，机械性能好；

(3)化学稳定性好，能耐强酸强碱溶液、有机溶剂和氯化物腐蚀，并且不被微生物降解；

(4) 可反复使用，易清洁；制备时孔径大小和孔径尺寸分布容易控制。

Al2O3陶瓷膜在净化工业用水加工、海水淡化、气体分离、催化反应等方面都具有大量的应用，因此陶瓷无机膜日益受到科技界与工业界的广泛关注。

Al 2O3陶瓷膜的制备方法有很多，有溶胶-凝胶法、固态粒子烧结法、化学气相沉积法、阳极氧化法等

1 溶胶-凝胶法是制备Al2O3陶瓷膜的一种有效方法，一般它是在多孔陶瓷支撑体（如堇青石、α-Al2O3等）上制备负载型均匀微孔的陶瓷膜；

2 固态粒子烧结法，它首先将Al2O3研磨成细粉，经筛分及水力沉降分级制成悬浮液，再加无机粘结剂等，经成形、烧结制成陶瓷膜；

3 化学气相沉积法是使反应产物蒸汽形成很高的过饱和蒸汽压，然后自动凝聚成大量的晶核，晶核长大沉积在基体材料上即制得陶瓷膜；

4 阳极氧化法,它是以高纯度的合金为阳极，并使一侧表面与酸性电解质（如硫酸、草酸等）接触，通过电解作用在表面形成微孔Al2O3 膜，然后去除未被氧化的铝载体和阻挡层，便得到孔径均匀、孔道与膜平面垂直的微孔Al2O3膜。

3.3.2 Al2O3涂层

Al2O3涂层具有耐腐蚀、耐高温等特性，近年来得到了大量研究。铝合金的微等离子氧化表面陶瓷化工技术受到了人们广泛的关注，利用微等离子体氧化技术在LY12 铝合金表面制备了Al2O3涂层，加强了铝合金的耐腐蚀性和抗氧化性等。钛合金材料高温氧化严重，为了提高其使用性能，可以在钛合金材料表面涂覆Al2O3涂层，这样也可以使钛合金材料的耐腐蚀和抗高温氧化等特性提高。

3. 4 医学方面

在医学方面，Al2O3更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。Al2O3陶瓷具有优良的生物相容性、生物惰性、理化稳定性及高硬度、高耐磨性，是制备人造骨和人造关节的理想材料。但它具有和其他陶瓷材料一样的缺点如脆性大、断裂韧性低、机加工技术难度高、工艺复杂等，因此需要进一步研究应用。

羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，其优良的骨传导作用已被很多的研究结果所验证，是目前最有前景的陶瓷人工骨材料，但是纯羟基磷灰石的力学性能较差，难以作为承重骨的替代材料。运用放电等离子技术烧结的Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料，通过引入弥散强化相Al2O3来提高材料的力学性能，既保持了羟基磷灰石的生物活性又提高了材料的力学性能，因此它有望成为一种理想的承重骨材料。

Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料在人骨修复领域有着大量的应用。在临床骨科手术中，骨缺损常常需要大量的修复材料。目前常见的修复材料有自身骨、异体骨和人工合成材料等。自身骨移植虽无免疫排斥、效果好，但取材有限；异体骨移植则容易引起免疫排斥，且修复效果差；人工合成材料，它们基本上都是降解材料，所以不能修复缺损区。因此寻求具有良好的物化性质、生物特性的生物材料作为骨移植材料，已成为研究的热点。Al2O3-羟基磷灰石人工骨材料正解决了这些问题，它具有稳定的物化性能，其硬度、抗弯强度、断裂韧性均已接近人体骨，况且常规消毒不会改变其生物特性。

3. 5 建筑卫生陶瓷方面

在建筑卫生陶瓷方面，Al2O3产品随处可见，如Al2O3陶瓷衬砖、研磨介质、辊棒陶瓷保护管以及Al2O3质耐火材料等。其中以Al2O3球磨介质应用最广。

过去，建筑卫生陶瓷用球磨介质基本上都是燧石、鹅卵石等天然球石，随着这些优质的天然球石资源的减少，以及它们磨损率高、效率低等缺点，Al2O3球磨介质被越来越多的陶瓷厂家所使用。目前球磨介质 主要包括Al2O3、ZrO2、SiC、Si 3N4等。Al2O3球磨介质具有合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀且价格低廉等特点，因此大部分的建筑卫生陶瓷方面的原材料都用Al2O3球磨介质加工。

Al2O3球磨介质物化性能优异、价格较低，在球磨介质中占据了一定的地位。但其韧性不及其它球磨介质，这就限制了它的进一步应用，因此国内外科研工作者对Al2O3球磨介质增韧机理和技术进行了大量研究，考虑到成本问题及增韧的操作性，目前最有成效的增韧方法是利用相变增韧机理，在Al2O3中添加ZrO2得到ZrO2增韧Al2O3球磨介质，解决了Al2O3球磨介质的韧性问题。

3. 6 其它方面

Al2O3陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广的材料之一，除了以上的几种应用外，它还广泛应用于其它一些高科技领域，如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域。

3.6.1 航空航天

在航空航天方面应用较多的Al2O3基纤维，它具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能。

Al2O3可以制备成高温耐热纤维，用于航天飞机上的隔热瓦和柔性隔热材料等。不仅如此，利用Al2O3纤维还可以用来增强金属基和陶瓷基复合材料，大量用于超音速喷射飞机中的喷管及火箭发动机中的垫圈。

3.6.2 高温工业炉

在高温工业炉领域中主要是用 Al2O3基短纤维材料作为保温耐火材 料，因为它具有密度小、隔热性好、热容量小等优点。这些优点不仅可以减轻高温炉的重量，而且使高温炉控温精，确进而更加节能。

普通高温炉中使用的保温耐火材料基本上都是耐火砖或耐火棉，这些材料的性能不及 Al2O3基短纤维材料，原因是纤维材料可以强化炉气对炉壁的对流传热，使炉壁能得到更多的热量，再通过辐射传到炉内，这样就提高了高温炉的加热速度和生产效率。

3.6.3 复合增强

Al2O3纤维增强金属基复合材料具有力学性能好、耐磨性高、膨胀系数低、硬度高等特点，这是因为Al2O3 纤维与金属基体之间浸润性好，界面反应低。这些材料已经在汽车活塞、空气压缩机叶片的制造中得到了应用。

Al2O3纤维还与树脂的结合性好，因它可以制备成Al2O3树脂复合材料，它具有弹性大、硬度高等特点，可应用于钓鱼竿、高尔夫球杆、滑雪板、网球拍等体育器材制造行业。

四、结 语

Al2O3陶瓷材料是应用得较多的陶瓷材料之一。国外对Al2O3材料的研究起步较早，尤其是在科技含量高的领域如机械加工、医学、航空航天等。而国内对Al2O3材料研究相对较晚，技术相对落后，且制造业中生产工艺较落后、装备不精，所以产品质量跟西方发达国家相比还是存在一定的差距。因此，提高我国Al2O3材料的研究水平及大力推广Al2O3 材料的应用已迫在眉睫。

关键词：氧化铝；增韧；陶瓷材料