Глиноземная керамика благодаря своим превосходным комплексным свойствам занимает незаменимое место в современной промышленности. Они могут служить «скелетом» для изготовления подложек интегральных схем или «броней», защищающей оборудование от сильного износа. Однако к любому высокоэффективному-материалу предъявляются строгие технологические требования. В реальном процессе производства глиноземной керамики поры и трещины в микроструктуре постоянно представляют собой серьезную проблему для технических специалистов. Поры становятся точками концентрации напряжений, что значительно снижает механическую прочность материала и напряженность поля пробоя. С другой стороны, трещины напрямую нарушают целостность материала, что приводит к браку продукта во время спекания или внезапному выходу из строя во время эксплуатации. Поэтому глубокий анализ причин этих дефектов и разработка эффективных стратегий устранения имеют решающее значение для повышения качества глиноземной керамики.
Причины пор
Поры — это пустоты, оставшиеся внутри спеченного изделия, происходящие из различных источников, которые в основном классифицируются следующим образом:
Остаточные межчастичные пустоты: возникают из-за проблем на этапах подготовки и формования сырья. Если порошок состоит из частиц одного размера или имеет слишком широкий гранулометрический состав, во время упаковки легко возникают явления «мостиков», приводящие к образованию многочисленных неравномерных взаимосвязанных пор внутри сырца. Во время сухого прессования неравномерное давление прессования может вызвать градиенты плотности, в результате чего в областях низкого-давления образуются области с высокой пористостью.
Образование летучих/разлагаемых примесей: если сырье содержит примеси, такие как карбонаты, сульфаты, органические вещества или адсорбированная вода, они будут разлагаться или улетучиваться при нагревании, выделяя такие газы, как CO₂, SO₂ и H₂O. Если скорость нагрева слишком высока, эти газы могут не выйти вовремя, накапливаясь внутри сырца и образуя поры или даже волдыри.
Поры, захваченные вторичной рекристаллизацией: Обычный процесс спекания устраняет поры за счет движения границ зерен. Однако когда несколько зерен растут аномально (вторичная рекристаллизация), они могут поглотить окружающие мелкие зерна, захватывая поры, первоначально распределенные по границам зерен, внутри зерен. Как только поры оказываются внутри зерен, они теряют доступ к пути быстрой диффузии, обеспечиваемому границами зерен, что чрезвычайно затрудняет их удаление при последующем спекании, что приводит к образованию устойчивых закрытых пор.
Недостаточная межчастичная диффузия. Во время спекания межчастичная диффузия материала является ключом к достижению уплотнения. Если температура спекания слишком низкая, скорость диффузии атомов замедляется, и перешейки спекания между частицами не развиваются полностью. Даже если для ускорения спекания жидкой фазы вводятся добавки для спекания, недостаточное образование жидкой фазы или чрезмерно высокая вязкость/плохая текучесть не позволяют жидкой фазе эффективно смачивать границы раздела частиц и заполнять поры, в конечном итоге оставляя остаточные поры внутри материала.
Причины трещин
По сравнению с точечным-подобным распределением пор трещины представляют собой линейные разрушения, часто возникающие в результате концентрации напряжений во время спекания. Когда локализованное внутреннее напряжение превышает предел прочности материала в этом состоянии, возникают и распространяются трещины, что в конечном итоге приводит к выходу изделия из строя. Эти напряжения в первую очередь возникают из-за:
Термический стресс: во время быстрого нагревания или охлаждения между внутренней частью и поверхностью или между толстыми и тонкими частями зеленого тела возникают значительные температурные градиенты. Непоследовательное тепловое расширение или сжатие, вызванное этой разницей температур, создает значительную термическую нагрузку, приводящую к деформации или растрескиванию корпуса.
Напряжение фазового превращения. Хотя фазовое превращение в самом глиноземе относительно простое (в первую очередь -Al₂O₃), если сырье содержит другие добавки или примеси, во время спекания могут произойти полиморфные превращения. Эффект объема (расширение или сжатие), связанный с фазовым превращением, если он происходит в жестком каркасе, может накапливать внутренние напряжения и вызывать микротрещины.
Упругое внутреннее напряжение: во время сухого прессования, если сила трения со стенкой формы чрезмерна во время извлечения из формы или если метод прессования неподходящий (например, одноосное прессование), упругое внутреннее напряжение, накопленное в сыром теле, может быть мгновенно снято, что приводит к образованию параллельных трещин в плоскостях, перпендикулярных направлению прессования, известных как расслоения или трещины слоев.
Неоднородное распределение порошка и сегрегация примесей. Если порошковая смесь неравномерна или происходит осаждение во время литья суспензии, это приводит к неодинаковым скоростям усадки в разных областях сырца во время спекания. Области с более высокой усадкой испытывают растягивающее напряжение со стороны областей с меньшей усадкой. Когда это растягивающее напряжение превышает предел прочности материала, происходит растрескивание. Кроме того, сегрегация примесей по границам зерен ослабляет прочность межзеренных связей, что служит источником возникновения трещин.
Ключевые контрольные точки в процессе уплотнения
Чтобы получить высококачественную-глиноземную керамику с высокой плотностью и минимальными дефектами, необходим тщательный контроль всего процесса,-от обработки порошка и формования до графиков спекания-.
1. Оптимизация характеристик порошка и формирование сырого тела
Высокая чистота, сверхтонкий порошок и сортировка по размеру частиц. Используйте ультратонкий (даже нано-) порошок оксида алюминия высокой-чистоты, чтобы увеличить движущую силу спекания. Используйте разумную калибровку частиц по размеру (смешивая крупные и мелкие частицы), чтобы мелкие частицы могли заполнять пустоты, образовавшиеся при упаковке крупных частиц, повышая плотность упаковки сырца и уменьшая начальные крупные поры.
Грануляция и гомогенизация. Используйте грануляцию с распылительной сушкой для превращения мелкого порошка в сферические гранулы с хорошей сыпучестью и равномерным распределением размеров частиц, обеспечивая равномерное наполнение во время сухого прессования или изостатического прессования. При шликерном литье контролируйте реологию суспензии, значение pH и содержание твердых веществ, чтобы предотвратить осаждение и сегрегацию частиц.
Передовые методы формования: использование технологии холодного изостатического прессования (CIP), которая оказывает равномерное давление со всех сторон, значительно улучшая плотность и однородность незаготовленного изделия, существенно снижая риски расслоения и изменений плотности.
2. Точный режим спекания.
Контроль температуры является ключом к уплотнению керамики, влияя не только на движущую силу спекания, но и на каждый этап от выгорания связующего до роста зерна.
Контролируемая скорость нагрева: на стадии выгорания связующего обеспечьте медленный нагрев органических добавок (связующих, пластификаторов) и летучих примесей с периодами выдержки при критических температурах. Это дает газам достаточно времени для выхода через капиллярные поры, предотвращая образование вздутий и растрескиваний. На этапе спекания также соответствующим образом уменьшите скорость нагрева, чтобы миграция границ зерен не опережала миграцию пор, предотвращая попадание пор внутрь зерен.
Контроль температуры спекания: на этапе спекания оптимизируйте температуру спекания и время выдержки, определяя лучшие параметры посредством экспериментов (обычно между 1600 и 1750 градусами). Это позволяет избежать неполного уплотнения из-за низких температур или аномального роста зерна и захвата пор из-за слишком высоких температур. Кроме того, используйте вспомогательные средства для спекания или методы низкотемпературного спекания, такие как спекание горячим прессованием, искровое плазменное спекание или микроволновое спекание, чтобы добиться уплотнения при более низких температурах.
Управление стрессом во время охлаждения: На этапе охлаждения после спекания, особенно при прохождении диапазонов температур фазового превращения или температурных интервалов, в которых присутствуют стеклообразные фазы, строго контролируйте скорость охлаждения. Использование медленного охлаждения или ступенчатого-охлаждения с периодами выдержки (отжига) помогает устранить или смягчить термическое напряжение и напряжение фазового превращения, предотвращая образование микротрещин во время охлаждения. Для крупных изделий или изделий сложной-формы отжиг после-спекания при температуре ниже температуры спекания в течение длительного периода может помочь устранить остаточные внутренние напряжения.