Ión y combinación de auxiliares de sinterización a baja temperatura para cerámicas de óxido de aluminio
Cerámica de óxido de aluminio, conocidos por su alto aislamiento, aislamiento térmico, resistencia a la corrosión y alta dureza, se utilizan ampliamente en diversos campos como el procesamiento mecánico, la electrónica, la industria química y la aeroespacial debido a sus amplias fuentes y su bajo costo. Sin embargo, el pequeño radio atómico de los cristales de Al2O3, los fuertes enlaces iónicos y la alta energía reticular requieren superar intensas interacciones de enlaces iónicos a temperaturas muy altas (2050 °C) para lograr la fusión y la sinterización. Esto no sólo consume una cantidad considerable de energía e impone altos requisitos a los equipos térmicos, sino que también conduce a un crecimiento anormal de los granos a temperaturas elevadas, lo que resulta en una estructura desigual e incluso grandes poros internos cerrados, lo que reduce la fuerza de unión entre los granos y disminuye el rendimiento del material. Por lo tanto, la investigación sobre la tecnología de sinterización a baja temperatura para cerámicas de óxido de aluminio es crucial, ya sea para reducir el consumo de energía, ahorrar costos o mejorar el rendimiento.
Actualmente, existen tres métodos principales para reducir la temperatura de sinterización del óxido de aluminio:
1. Reducir el tamaño de las partículas del polvo de óxido de aluminio;
2. Adoptar otras tecnologías avanzadas de sinterización a baja temperatura;
3 、 Adición de auxiliares de sinterización.
Dado que el uso de polvos finos como materia prima es costoso y las técnicas avanzadas de sinterización a baja temperatura, como la sinterización por microondas y la sinterización por plasma de descarga, tienen altos requisitos de proceso y costos de equipo, agregar auxiliares de sinterización directamente a los materiales en polvo de óxido de aluminio es una opción rentable, eficiente y método simple en comparación con los dos anteriores. Actualmente es el método de sinterización a baja temperatura más eficaz y viable.
Clasificación y mecanismo de auxiliares de sinterización a baja temperatura de óxido de aluminio
El mecanismo por el cual los auxiliares de sinterización promueven la densificación de las cerámicas de óxido de aluminio es complejo. Según las diferentes funciones de los cationes en los distintos coadyuvantes de sinterización para promover la sinterización, se pueden dividir a grandes rasgos en cuatro tipos: formación de soluciones sólidas con óxido de aluminio, formación de sistemas eutécticos con óxido de aluminio durante la sinterización, formación de nuevas fases con óxido de aluminio, y promoción de la sinterización en fase líquida debido a la presencia de fases de vidrio de bajo punto de fusión en las materias primas.
1. Formación de soluciones sólidas con óxido de aluminio.
La solución sólida de sustitución entre los auxiliares de sinterización y el óxido de aluminio es un mecanismo importante para promover la densificación de la sinterización del óxido de aluminio. Cuando los coadyuvantes de sinterización y el óxido de aluminio se someten a sustitución de solución sólida a altas temperaturas, los átomos de soluto reemplazarán a los átomos de disolvente en la red. La diferencia en el radio iónico entre el catión y el Al3+ provocará una distorsión de la red y generará defectos en la red. Además, debido a la diferencia en el estado de valencia entre el catión y el Al2O3, la tendencia del cristal a la neutralidad da como resultado la formación de vacantes del catión en el cristal, lo que provoca la contracción de la red. Estos defectos de la red y vacantes de cationes facilitan la activación de la red, aumentan las velocidades de difusión y hacen que las cerámicas de óxido de aluminio sean más fáciles de recristalizar, promoviendo así la sinterización y reduciendo la temperatura de sinterización. Normalmente, los coadyuvantes de sinterización que pueden formar soluciones sólidas con óxido de aluminio son óxidos con constantes de red cercanas a Al2O3, que en su mayoría contienen elementos de valencia variable como TiO2, Cr2O3, Fe2O3 y MnO2.
Defectos de red causados por el reemplazo de solución sólida.
2. Formación de sistemas eutécticos con óxido de aluminio.
Durante la sinterización, los disolventes poco eutécticos son mezclas eutécticas formadas por dos o más sólidos mediante enlaces de hidrógeno. Debido a la fuerte interacción entre los aniones del aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) y el donante de enlaces de hidrógeno (HBD) y la deslocalización de carga causada por el suministro de hidrógeno del HBD y el componente HBA, sus puntos de fusión son más bajos que los de cada componente individual. . Por ejemplo, el principio de rociar sal sobre la nieve utiliza el principio de baja eutéctica para derretir la nieve.
Aplicación típica del sistema eutéctico hielo + sal.
En la sinterización a baja temperatura de óxido de aluminio se añaden coadyuvantes de sinterización que pueden formar sistemas eutécticos binarios, ternarios o multicomponentes con otros componentes, como SiO2, CaO, MgO, SrO y BaO. Cuando se calienta a la temperatura eutéctica más baja, comienza a aparecer una fase líquida. Dado que la temperatura eutéctica antes de la adición del coadyuvante es inferior a la temperatura de sinterización teórica, se consigue una sinterización a baja temperatura.
3. Formación de nuevas fases con óxido de aluminio.
Durante la sinterización Durante la sinterización de óxido de aluminio, algunos coadyuvantes de sinterización (como MgO, SiO2, etc.) añadidos sufrirán reacciones en fase sólida con óxido de aluminio para formar segundas fases, como aluminato de magnesio, espinela y mullita. La formación de segundas fases puede activar la red, promover la sinterización del óxido de aluminio y mejorar las propiedades cerámicas. Generalmente, la formación de segundas fases suele ir acompañada de la generación de otros mecanismos como fases líquidas y soluciones sólidas, que desempeñan un papel auxiliar en la promoción de la sinterización. Cabe mencionar que la formación de nuevas fases juega un papel importante en la mejora de las propiedades de las cerámicas de óxido de aluminio. Por ejemplo, la espinela de magnesio y aluminio formada en la superficie de Al2O3 por MgO puede reducir la energía interfacial, disminuir la velocidad de difusión de los límites de los granos, inhibir eficazmente el crecimiento de cristales de Al2O3 y actuar como estabilizador.
Diagrama esquemático de la reacción de alúmina y magnesia para formar espinela de magnesia-alúmina.
4. Utilización de fases de vidrio de bajo punto de fusión con puntos de fusión bajos inherentes para formar fases líquidas
Durante la sinterización cerámica, la introducción de sustancias en fase vítrea de bajo punto de fusión (como boratos, etc.) con puntos de fusión bajos experimentará gradualmente una transición de fase sólida a fase líquida con el aumento de temperatura. También cambia la viscosidad de la fase vítrea. Cuando la viscosidad disminuye para iniciar un flujo viscoso a una cierta temperatura debido a la presión capilar, puede promover la reorganización de las partículas de polvo en el cuerpo verde, lograr un apilamiento espacial más denso y promover la disolución de partículas pequeñas o partículas de fase sólida en el líquido. fase. Por difusión del líquido, se produce condensación en la superficie de las partículas gruesas, acelerando el proceso de reacción, consiguiendo así la sinterización cerámica a temperaturas más bajas. Actualmente, el uso de auxiliares de sinterización en fase vítrea de bajo punto de fusión puede reducir la temperatura de sinterización del óxido de aluminio a aproximadamente 900 °C.
Principios para seleccionar y combinar auxiliares de sinterización
Por lo general, un solo medio auxiliar no puede cumplir simultáneamente los requisitos de sinterización y las propiedades mecánicas y eléctricas. En algunos casos, el uso de un único auxiliar para bajar la temperatura de sinterización puede provocar una disminución del rendimiento cerámico. Por lo tanto, en la producción práctica, a menudo es necesario utilizar una combinación de múltiples coadyuvantes para formar aditivos compuestos.
Para maximizar la eficacia de los auxiliares de sinterización sin afectar el rendimiento del material, se deben seguir los siguientes principios al seleccionar los auxiliares compuestos:
．Diferentes ayudas deberían tener un efecto sinérgico para promover la sinterización. El uso de múltiples ayudas con diferentes mecanismos de sinterización puede reducir mejor la temperatura de cocción en comparación con una sola ayuda.
．Es preferible que los diferentes auxiliares no reaccionen entre sí, ya que esto puede debilitar o contrarrestar sus efectos favorecedores de la sinterización.
．Diferentes ayudas pueden complementarse entre sí. Los efectos adversos de una ayuda sobre las propiedades del material durante la promoción de la sinterización pueden compensarse con otra ayuda.
Al seleccionar diferentes coadyuvantes para formar coadyuvantes compuestos, los formadores de vidrio como el SiO2 se utilizan principalmente como aditivos principales para formar sistemas de bajo contenido eutéctico, complementados con materiales intermedios de vidrio como BeO y ZnO, y materiales modificadores del vidrio como MgO, Li2O, BaO. CaO y Sr2O se utilizan para formar MgO-Al2O3-SiO2 (MAS), CaO-Al2O3-SiO2 (CAS), Li2O-Al2O3-SiO2 (LAS) y otros sistemas auxiliares de sinterización. Para cerámicas de óxido de aluminio de alta pureza, generalmente se selecciona MgO como coadyuvante de sinterización básico para formar espinela de aluminato de magnesio y construir sistemas de bajo contenido eutéctico. Sin embargo, la volatilidad del MgO a alta temperatura provocará granos grandes en la superficie de la cerámica, lo que afectará las propiedades del óxido de aluminio. Por lo tanto, se necesitan otros auxiliares de sinterización para reducir la tasa de crecimiento del límite de grano del óxido de aluminio, como el uso de MgO y La2O3 o Y2O3 en combinación. Actualmente, se ha demostrado experimentalmente que los auxiliares compuestos de uso común, como el sistema CaO-MgO-SiO2, el sistema MnO2-TiO2-MgO y el sistema CuO-SiO2, pueden reducir significativamente la temperatura de sinterización mientras refinan los granos, estabilizan la estructura y mejorando las propiedades mecánicas del material.
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