íon e combinação de auxiliares de sinterização de baixa temperatura para cerâmica de óxido de alumínio
Cerâmica de óxido de alumínio, conhecidos por seu alto isolamento, isolamento térmico, resistência à corrosão e alta dureza, são amplamente utilizados em vários campos, como processamento mecânico, eletrônica, indústria química e aeroespacial devido às suas extensas fontes e baixo custo. No entanto, o pequeno raio atômico dos cristais de Al2O3, as fortes ligações iônicas e a alta energia da rede exigem a superação de intensas interações de ligações iônicas em temperaturas muito altas (2050°C) para atingir a fusão e a sinterização. Isto não só consome uma quantidade considerável de energia e impõe elevados requisitos ao equipamento térmico, mas também leva ao crescimento anormal dos grãos a temperaturas elevadas, resultando numa estrutura irregular e até mesmo em grandes poros internos fechados, o que reduz a resistência de ligação entre os grãos e diminui o desempenho do material. Portanto, a pesquisa sobre tecnologia de sinterização a baixa temperatura para cerâmicas de óxido de alumínio é crucial, seja para reduzir o consumo de energia, economizar custos ou melhorar o desempenho.
Atualmente, existem três métodos principais para diminuir a temperatura de sinterização do óxido de alumínio:
1、Redução do tamanho das partículas do pó de óxido de alumínio;
2、Adotando outras tecnologias avançadas de sinterização de baixa temperatura;
3、Adicionando auxiliares de sinterização.
Como o uso de pós finos como matéria-prima é caro e técnicas avançadas de sinterização em baixa temperatura, como sinterização por micro-ondas e sinterização por plasma de descarga, têm altos requisitos de processo e custos de equipamento, adicionar auxiliares de sinterização diretamente aos materiais em pó de óxido de alumínio é uma solução econômica, eficiente e método simples em comparação com os dois anteriores. Atualmente é o método de sinterização a baixa temperatura mais eficaz e viável.
Classificação e mecanismo de auxiliares de sinterização de óxido de alumínio em baixa temperatura
O mecanismo pelo qual os auxiliares de sinterização promovem a densificação da cerâmica de óxido de alumínio é complexo. De acordo com as diferentes funções dos cátions em vários auxiliares de sinterização na promoção da sinterização, eles podem ser divididos em quatro tipos: formação de soluções sólidas com óxido de alumínio, formação de sistemas eutéticos com óxido de alumínio durante a sinterização, formação de novas fases com óxido de alumínio, e promoção da sinterização em fase líquida devido à presença de fases vítreas de baixo ponto de fusão nas matérias-primas.
1、Formação de Soluções Sólidas com Óxido de Alumínio
A solução sólida substitutiva entre auxiliares de sinterização e óxido de alumínio é um mecanismo importante para promover a densificação da sinterização de óxido de alumínio. Quando os auxiliares de sinterização e o óxido de alumínio sofrem substituição de solução sólida em altas temperaturas, os átomos de soluto substituirão os átomos de solvente na rede. A diferença no raio iônico entre o cátion e o Al3+ causará distorção na rede e gerará defeitos na rede. Além disso, devido à diferença no estado de valência entre o cátion e o Al2O3, a tendência do cristal à neutralidade resulta na formação de vacâncias de cátions no cristal, causando contração da rede. Esses defeitos de rede e vagas de cátions facilitam a ativação da rede, aumentam as taxas de difusão e tornam a cerâmica de óxido de alumínio mais fácil de recristalizar, promovendo assim a sinterização e reduzindo a temperatura de sinterização. Normalmente, os auxiliares de sinterização que podem formar soluções sólidas com óxido de alumínio são óxidos com constantes de rede próximas de Al2O3, contendo principalmente elementos de valência variável, como TiO2, Cr2O3, Fe2O3 e MnO2.
Defeitos de rede causados pela substituição de solução sólida
2、Formação de Sistemas Eutéticos com Óxido de Alumínio
Durante a sinterização, solventes eutéticos baixos são misturas eutéticas formadas por dois ou mais sólidos por meio de ligações de hidrogênio. Devido à forte interação entre os ânions do aceitador de ligação de hidrogênio (HBA) e do doador de ligação de hidrogênio (HBD) e à deslocalização de carga causada pelo suprimento de hidrogênio HBD e pelo componente HBA, seus pontos de fusão são inferiores aos de cada componente individual . Por exemplo, o princípio de borrifar sal na neve utiliza o princípio de baixa eutética para derreter a neve.
Aplicação típica do sistema eutético gelo + sal
Na sinterização de óxido de alumínio em baixa temperatura, são adicionados auxiliares de sinterização que podem formar sistemas eutéticos binários, ternários ou multicomponentes com outros componentes, como SiO2, CaO, MgO, SrO e BaO. Quando aquecido à temperatura eutética mais baixa, uma fase líquida começa a aparecer. Como a temperatura eutética é inferior à temperatura teórica de sinterização antes da adição do auxiliar, consegue-se uma sinterização a baixa temperatura.
3、Formação de Novas Fases com Óxido de Alumínio
Durante a sinterização Durante a sinterização do óxido de alumínio, alguns auxiliares de sinterização (como MgO, SiO2, etc.) adicionados sofrerão reações de fase sólida com óxido de alumínio para formar segundas fases, como espinélio, aluminato de magnésio e mulita. A formação de segundas fases pode ativar a rede, promover a sinterização do óxido de alumínio e melhorar as propriedades cerâmicas. Geralmente, a formação de segundas fases é muitas vezes acompanhada pela geração de outros mecanismos como fases líquidas e soluções sólidas, desempenhando um papel auxiliar na promoção da sinterização. Vale ressaltar que a formação de novas fases desempenha um papel importante na melhoria das propriedades das cerâmicas de óxido de alumínio. Por exemplo, o espinélio magnésio-alumínio formado na superfície do Al2O3 pelo MgO pode reduzir a energia interfacial, diminuir a taxa de difusão dos limites dos grãos, inibir efetivamente o crescimento de cristais de Al2O3 e atuar como um estabilizador.
Diagrama esquemático da reação de alumina e magnésia para formar espinélio magnésia-alumina
4、Utilização de fases de vidro de baixo ponto de fusão com baixos pontos de fusão inerentes para formar fases líquidas
Durante a sinterização cerâmica, a introdução de substâncias de fase vítrea de baixo ponto de fusão (como boratos, etc.) com baixos pontos de fusão sofrerá gradualmente uma transição da fase sólida para a fase líquida com o aumento da temperatura. A viscosidade da fase vítrea também muda. Quando a viscosidade diminui para iniciar o fluxo viscoso a uma determinada temperatura devido à pressão capilar, pode promover o rearranjo das partículas de pó no corpo verde, atingir um empilhamento espacial mais denso e promover a dissolução de pequenas partículas ou partículas de fase sólida no líquido Estágio. Por difusão líquida, ocorre condensação na superfície das partículas grossas, acelerando o processo de reação, conseguindo assim a sinterização cerâmica em temperaturas mais baixas. Atualmente, o uso de auxiliares de sinterização de fase vítrea de baixo ponto de fusão pode reduzir a temperatura de sinterização do óxido de alumínio para cerca de 900°C.
Princípios para selecionar e combinar auxiliares de sinterização
Um único auxiliar geralmente não consegue atender simultaneamente aos requisitos de sinterização e de propriedades mecânicas e elétricas. Em alguns casos, o uso de um único auxiliar para diminuir a temperatura de sinterização pode levar à diminuição do desempenho cerâmico. Portanto, na produção prática, muitas vezes é necessário utilizar uma combinação de múltiplos auxiliares para formar aditivos compósitos.
Para maximizar a eficácia dos auxiliares de sinterização sem afetar o desempenho do material, os seguintes princípios devem ser seguidos ao selecionar auxiliares compostos:
．Diferentes ajudas deverão ter um efeito sinérgico na promoção da sinterização. O uso de múltiplos auxiliares com diferentes mecanismos de sinterização pode reduzir melhor a temperatura de queima em comparação com um único auxiliar.
．Os diferentes auxiliares não devem, de preferência, reagir entre si, pois isso pode enfraquecer ou compensar os seus efeitos de promoção da sinterização.
．Diferentes ajudas podem complementar-se. Os efeitos adversos de um auxílio nas propriedades do material durante a promoção da sinterização podem ser compensados por outro auxílio.
Ao selecionar diferentes auxiliares para formar auxiliares compósitos, os formadores de vidro, como o SiO2, são usados principalmente como os principais aditivos para formar sistemas de baixa eutética, complementados por materiais intermediários de vidro, como BeO e ZnO, e materiais modificadores de vidro, como MgO, Li2O, BaO, CaO e Sr2O são usados para formar MgO-Al2O3-SiO2 (MAS), CaO-Al2O3-SiO2 (CAS), Li2O-Al2O3-SiO2 (LAS) e outros sistemas auxiliares de sinterização. Para cerâmicas de óxido de alumínio de alta pureza, o MgO é geralmente selecionado como auxiliar básico de sinterização para formar espinélio de aluminato de magnésio e construir sistemas de baixa eutética. No entanto, a volatilidade do MgO em alta temperatura causará grãos grandes na superfície da cerâmica, o que afetará as propriedades do óxido de alumínio. Portanto, outros auxiliares de sinterização são necessários para reduzir a taxa de crescimento dos limites de grão do óxido de alumínio, como o uso de MgO e La2O3 ou Y2O3 em combinação. Atualmente, foi comprovado experimentalmente que auxiliares compósitos comumente usados, como o sistema CaO-MgO-SiO2, o sistema MnO2-TiO2-MgO e o sistema CuO-SiO2, podem reduzir significativamente a temperatura de sinterização enquanto refinam os grãos, estabilizam a estrutura e melhorando as propriedades mecânicas do material.
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