氧化铝陶瓷的性能及主要应用

氧化铝陶瓷作为一种精密技术陶瓷,其性能有一系列的优点。随着科学技术的不断发展,氧化铝陶瓷已经广泛的应用于化工、机械制造、生物医学等各个领域,并随着性能的提升逐步扩大应用范围,对氧化铝性能的研究在很多行业的生产活动中都有很高的现实意义。

1、氧化铝陶瓷机械强度高

氧化铝瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。氧化铝成分愈纯,强度愈高。强度在高温下可维持到900℃,如下图所示。利用氧化铝瓷的机械强度,可制成装置瓷和其他机械构件。氧化铝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,其中以氧化铝陶瓷刀具和工业用阀应用最广。

2、氧化铝陶瓷电阻率高,电绝缘性能好

常温电阻率1015Ω·cm,绝缘强度15kV/mm,利用其绝缘性和强度,可以制成基板、管座、火花塞、电路外壳。

3、氧化铝陶瓷硬度高

莫氏硬度为9,加上优良的抗磨损性,所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。用氧化铝陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时,能够以高的切削速度获得高的精度。

4、氧化铝陶瓷熔点高,抗腐蚀

熔点2050℃,能较好地抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金属的侵蚀。对NaOH、玻璃、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗能力。在惰性气氛中不与Si、P、Sb、Bi作用。因此可用作耐火材料、炉管、玻璃拉丝坩、空心球、纤维、热电偶保护套等。

5、氧化铝陶瓷化学稳定性优良

许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与氧化铝作用。因此氧化铝可以制成纯金属和单晶生长的坩锅、人体关节、人工骨等。

6、光学特性

可以制成透光材料(透明氧化铝瓷),用以制造钠蒸气灯管、微波整流罩、红外窗口、激光振荡元件等。

7、离子导电性

用作太阳能电池材料和蓄电池材料。

氧化铝陶瓷的主要应用

1、机械方面

氧化铝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、不易与金属发生黏结等特点,大量应用于硬材料切割、高速钢切割、超高速切割等一些难加工材料的切割。氧化铝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。

①纯氧化铝陶瓷刀具

纯氧化铝陶瓷刀具是指仅含有少量其他氧化物的高纯氧化铝陶瓷,其中氧化铝纯度99%以上。在纯氧化铝陶瓷中可以添加氧化锆作为烧结助剂来提高它的断裂韧性。在制备陶瓷刀具中实现了对原来纯度和晶粒尺寸的有效控制,以及添加其他成分构成两相或以固溶体形式存在于基体之中的氧化铝基复合陶瓷和晶须增强陶瓷。这些技术弥补了纯氧化铝陶瓷的不足,从而提高了它的切削性能和耐用度。因为纯氧化铝陶瓷刀具高温性能、耐磨损性较好,但抗弯强度较低、抗抗冲击能力差的特点,目前它越来越多地被各种复合氧化铝陶瓷刀具所替代。

②复合氧化铝陶瓷刀具

在复合陶瓷中,有几种复合方向:氧化铝-碳化物陶瓷刀具、氧化铝-碳化物-金属陶瓷刀具、氧化铝-氮化物或硼化物陶瓷刀具等。例如,氧化铝-碳化物陶瓷刀具,在氧化铝中添加一定的碳化物(TiC、WC、TaC、NbC、Mo,C、Cr,C2等)可以提高它的强度、耐磨性、抗冲击性以及高温性能等,在添加物之中,其中以添加TiC的应用最多,与纯氧化铝陶瓷相比,氧化铝-碳化物复合陶瓷的抗弯强度无论是常温还是高温都优于纯氧化铝陶瓷。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。

③增韧氧化铝陶瓷刀具

增韧氧化铝陶瓷刀具是指在氧化铝基体中添加增韧或增强材料。目前常用的增韧方法有:Zr02相变增韧、晶须增韧、第二相颗粒弥散增韧等。

2、工业方面

目前,工业用阀门种类繁多,氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀、球阀等。

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。

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、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。

3、电子、电力方面

在电子、电力方面,有各种氧化铝陶瓷底板、基片、陶瓷膜、透明陶瓷以及各种氧化铝陶瓷电绝缘瓷件、电子材料、磁性材料等,其中以氧化铝透明陶瓷和基片应用最广。

4、化工方面

在化工应用方面氧化铝陶瓷也有较广泛的用途,如氧化铝陶瓷化工填料球、无机微滤膜、耐腐蚀涂层等,其中以氧化铝陶瓷膜、涂层研究和应用最多。

①氧化铝陶瓷膜:膜分为有机高分子膜和无机膜等,自20世纪80年代以来,氧化铝陶瓷膜特别是多孔氧化铝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。氧化铝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。

②氧化铝涂层: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氧化铝涂层,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。

5、医学方面

在医学方面氧化铝更多的是用于制造人工骨、人工关节、人工牙齿等。氧化铝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。

6、建筑卫生陶瓷方面

在建筑卫生陶瓷方面,氧化铝陶瓷产品随处可见,如氧化铝陶瓷衬砖、研磨介质、棍棒、陶瓷保护管以及氧化铝质耐火材料等。其中以氧化铝球磨介质应用最广。氧化铝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氧化铝球磨介质加工。

7、其他方面

氧化铝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,它还广泛应用于其他一些高科技领域,如航空航天、高温工业炉、复合增强等领域。

①航空航天

在航空航天方面应用较多的是氧化铝基纤维,它具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能。氧化铝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,利用氧化铝纤维还可以用来增强金属基和陶瓷基复合材料,大量用于超音速喷气式飞机中的喷管及火箭发动机中的垫圈。

②高温工业炉

在高温工业炉领域中主要是用氧化铝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。

③复合增强

氧化铝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,这是因为氧化铝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。氧化铝纤维还与树脂的结合性好,因此可以制备成氧化铝/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。

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