Преимущества керамики на основе оксида алюминия (Al₂O₃) общепризнаны: высокая твердость, высокая температура плавления, отличная устойчивость к коррозии и износу. Однако обычное спекание без давления не позволяет полностью устранить внутренние поры, ограничивая прочность, прозрачность и надежность материала из-за остаточных дефектов. Для достижения полного уплотнения без чрезмерного укрупнения зерна инженерные подходы внедрили применение внешнего давления при повышенных температурах, причем наиболее представительными методами являются горячее прессование (ГП) и горячее изостатическое прессование (ГИП). Кроме того, термоплазменная технология показала уникальную ценность при производстве высококачественных порошков оксида алюминия.
Горячее прессование (HP)
Горячее прессование включает в себя приложение одноосного механического давления к порошковой прессовке во время нагрева, совмещение формовки и спекания за один этап. Давление обычно находится в диапазоне 20–50 МПа, а температура регулируется от 1400 до 1700 градусов в зависимости от размера частиц и чистоты оксида алюминия. Внешнее давление действует как дополнительная движущая сила уплотнения, эффективно способствуя перегруппировке частиц и пластическому течению, тем самым «выдавливая» поры до того, как произойдет значительный рост зерен. В результате горячее прессование позволяет достичь плотности, близкой к теоретической, при более низких температурах, чем спекание без давления.
Прозрачная глиноземная керамика – классическое применение горячего прессования. Традиционно спеченный поликристаллический оксид алюминия непрозрачен из-за рассеяния света на границах зерен и порах. Горячее прессование может уменьшить пористость до уровня ниже 0,1%, создавая керамику с заметным коэффициентом пропускания в видимом диапазоне, которая используется в колбах натриевых ламп высокого давления, инфракрасных окнах и аналогичных устройствах. Для подложек из оксида алюминия с высокой теплопроводностью также часто используется горячее прессование или комбинированный процесс ленточного литья и горячего прессования. Когда мелкий порошок оксида алюминия подвергается горячему прессованию при температуре около 1550 градусов, относительная плотность может превышать 98,8%, а теплопроводность достигает примерно 37 Вт/(м·К), что соответствует требованиям к рассеиванию тепла для силовых интегральных схем.
Для керамических деталей сложной формылитье горячим прессованием(литье под низким давлением) предлагает другой технический путь. Порошок глинозема смешивают со связующим на основе парафина, впрыскивают в металлическую форму, охлаждают, извлекают из формы, а затем подвергают удалению связующих и спеканию. Этот метод обеспечивает высокую точность размеров и хорошее качество поверхности, что делает его пригодным для серийного производства сложных деталей, хотя во избежание дефектов требуется тщательный контроль процесса удаления связующего.
Горячее изостатическое прессование (ГИП)
При горячем изостатическом прессовании в качестве среды давления используется аргон или азот для приложения к заготовке высокого изотропного давления (обычно 100–200 МПа) при одновременном нагреве. По сравнению с одноосным горячим прессованием, HIP обеспечивает более равномерное распределение давления и позволяет обрабатывать детали сложной формы или пакетные нагрузки. ГИП применяется к оксиду алюминия в двух основных режимах: в качестве этапа последующей обработки для уплотнения ранее спеченной керамики, которая все еще содержит небольшое количество закрытой пористости, или в качестве прямого процесса ГИП-спекания, при котором инкапсулированный порошок полностью уплотняется за один этап.
Данные исследований показывают, что глиноземная керамика, обработанная ГИП, практически достигает теоретической плотности (3,98 г/см³), при этом размер зерен контролируется в диапазоне 2–8 мкм, а поры практически исчезают. Например, при обработке при 1700 градусах и давлении 150 МПа твердость и прочность на изгиб оксида алюминия можно улучшить на 8–10% по сравнению с образцами, спеченными без давления. Для композитов с матрицей оксида алюминия, таких как керамика, армированная нитевидными кристаллами Al₂O₃/SiC, сочетание микроволнового спекания с последующим HIP увеличивает плотность с 97,5% до 99,6% и повышает вязкость разрушения на 10%.
HIP особенно важен в биомедицинской области. Искусственные головки тазобедренного сустава из глинозема требуют чрезвычайно высокой надежности и усталостной прочности; Обработка HIP устраняет внутренние микродефекты, в результате чего прочность на изгиб превышает 600 МПа. Аналогичным образом, композитная керамика на основе циркония и оксида алюминия (ZTA) часто подвергается ГИП для достижения полного уплотнения, обеспечивая долговременную стабильность при использовании в организме человека.
Конечно, оборудование HIP дорогое, а технологический цикл относительно длительный; Обычно он предназначен для высокопроизводительных применений, таких как компоненты аэрокосмической отрасли, медицинские имплантаты, высококачественные подшипники и износостойкие уплотнения.
Термическое плазменное приготовление порошка глинозема
Вышеуказанные процессы предъявляют четкие требования к характеристикам исходного порошка (чистота, размер частиц, морфология и диспергируемость). Технология термической плазмы обеспечивает эффективный способ производства высококачественного порошка оксида алюминия. Принцип заключается в подаче алюминиевого порошка или алюминиевой проволоки в струю термической плазмы (с температурой, достигающей нескольких тысяч градусов Цельсия), где он мгновенно плавится и окисляется с образованием оксида алюминия, который затем быстро охлаждается до сверхмелких сферических частиц.
The alumina powder obtained by this method exhibits a high spheroidization rate, narrow particle size distribution (typically sub micron to a few microns), high purity (>99,9%) и хорошей текучестью, что делает его хорошо подходящим для термического напыления, ленточного литья и литья под давлением. По сравнению с химическими методами термоплазменный метод отличается коротким технологическим циклом, отсутствием сброса жидких отходов и легкостью масштабирования. Сферический порошок оксида алюминия в настоящее время широко используется в таких областях, как теплопроводящие наполнители для электронной упаковки, прецизионные абразивы для полировки и термобарьерные покрытия.