《氧化铝陶瓷》课件

氧化铝陶瓷先进结构陶瓷材料的代表广泛应用于电子、机械、化工、医疗等领域目录第一部分第二部分第三部分氧化铝陶瓷基础氧化铝陶瓷的性能氧化铝陶瓷的制备第四部分第五部分氧化铝陶瓷的应用氧化铝陶瓷的发展趋势第一部分氧化铝陶瓷基础化学组成结构特征分类方法主要成分为氧化铝晶体结构与微观形按纯度、密度和晶貌粒大小分类Al₂O₃优良品质高硬度、耐高温、耐腐蚀什么是氧化铝陶瓷？定义特点以氧化铝为主要成分的硬度高、耐热性好、绝缘性强、Al₂O₃无机非金属材料耐腐蚀纯度范围通常含比例不等Al₂O₃80%-

99.9%氧化铝陶瓷的化学组成主要成分氧化铝Al₂O₃次要成分、、等SiO₂MgO CaO微量添加剂、、Y₂O₃ZrO₂Cr₂O₃烧结助剂、、MgO CaOSiO₂纯度等级80%~

99.9%氧化铝陶瓷的结构特征晶体结构α-Al₂O₃六方密堆积结构微观结构致密多晶体，晶粒大小可控晶界特性晶界能显著影响材料性能孔隙分布通常气孔率低于5%氧化铝陶瓷的分类按纯度分类按密度分类普通氧化铝多孔氧化铝陶瓷80-95%12高纯氧化铝致密氧化铝陶瓷95-

99.9%按透明度按晶粒大小43不透明氧化铝陶瓷微米级氧化铝陶瓷透明氧化铝陶瓷纳米级氧化铝陶瓷普通氧化铝陶瓷氧化铝含量主要特点性价比高，性能适中80%-95%常见应用制备工艺电绝缘体、耐磨零件普通烧结工艺，温度1500-1650°C高铝氧化铝陶瓷氧化铝含量主要特点典型应用高强度电子基板95%-

99.9%纯度等级决定性能优异耐腐蚀性实验室器皿良好电绝缘性医疗植入物纳米氧化铝陶瓷晶粒特征晶粒尺寸小于100nm性能优势超高硬度、优异韧性制备难点晶粒长大控制、烧结温度精确控制应用前景高端结构件、生物医学材料透明氧化铝陶瓷透光性能可见光透过率高达以上80%微观结构高致密度、超细晶粒、无气孔制备要点超高纯原料、特殊烧结工艺应用领域高温透明窗口、特种光学元件第二部分氧化铝陶瓷的性能机械性能高硬度、优良耐磨性热学性能耐高温、低膨胀系数电学性能绝缘性、介电特性化学性能耐腐蚀、生物相容性机械性能概述15-19硬度摩氏硬度GPa300-400强度抗弯强度MPa3-4韧性断裂韧性MPa·m¹/²380弹性模量杨氏模量GPa硬度和强度耐磨性磨损机制影响因素应用案例磨粒磨损硬度砂磨介质疲劳磨损韧性轴承部件粘着磨损表面粗糙度喷砂喷嘴晶粒尺寸密封环热学性能高温稳定性熔点高达2050°C热膨胀系数8×10⁻⁶/K耐热震性中等，受尺寸影响热导率20-30W/m·K热膨胀系数热导率热导率数值影响因素纯度20-30W/m·K高于大多数陶瓷材料气孔率晶粒尺寸应用意义散热基板热管理部件高温工作环境电学性能绝缘性电阻率高达10¹⁴-10¹⁵Ω·cm介电常数，高频下稳定9-10损耗角正切量级，低损耗10⁻⁴击穿电压，优异电气强度10-20kV/mm绝缘性介电性能介电常数，相对稳定9-10损耗角正切量级，低损耗10⁻⁴频率依赖性频率稳定性好，范围内变化小MHz温度依赖性温度系数小，高温稳定化学性能耐酸性耐碱性对大多数无机酸具有优异抗性对碱性溶液有良好抗性生物相容性高温稳定性对生物组织无毒无害化学稳定性随温度上升而增强耐腐蚀性腐蚀介质耐腐蚀性能最高使用温度盐酸优秀HCl80°C硫酸良好H₂SO₄100°C氢氟酸较差HF25°C氢氧化钠优秀NaOH120°C海水极佳200°C生物相容性1细胞反应细胞附着生长良好，无毒性2组织相容性植入体内无排斥反应3长期稳定性体内降解速率极低，稳定性优异4表面改性可通过表面处理增强生物活性第三部分氧化铝陶瓷的制备原料制备粉体合成与处理成型工艺干压、注浆等方法烧结工艺高温致密化处理后处理精加工与表面处理原料选择主要原料烧结助剂选择标准粉末抑制晶粒生长纯度α-Al₂O₃MgO粉末提高致密度粒度分布γ-Al₂O₃Y₂O₃氢氧化铝降低烧结温度比表面积SiO₂团聚状态氧化铝粉体的制备拜耳法1从铝土矿中提取，煅烧得到AlOH₃Al₂O₃溶胶凝胶法2-铝盐水解得到凝胶，焙烧获得纳米粉体共沉淀法3铝盐与碱反应沉淀，热处理得到粉体水热法4高温高压下合成结晶良好的氧化铝粉体成型方法概述特种成型注射成型、打印3D湿法成型注浆成型、胶体注模压力成型干压、等静压可塑成型挤出成型、塑性成型干压成型模具填充将粉体填入模具腔体加压成型施加压力50-300MPa卸压脱模缓慢释放压力并取出坯体坯体检查检查密度均匀性和表面缺陷等静压成型200-30040-60±

0.5%压力范围相对密度尺寸精度压力单位成型坯体密度百分比成型件尺寸公差MPa注浆成型浆料制备粉体分散于水中，添加分散剂浆料注入将浆料倒入多孔石膏模具壁层形成液体被模具吸收，形成固体壁层排出余浆达到所需厚度后，倒出多余浆料干燥脱模坯体干燥收缩，便于从模具取出烧结工艺预烧升温脱除有机物控制升温速率800-1000°C3-5°C/min冷却保温控制冷却速率防止开裂保温小时1600-1800°C2-4常压烧结热压烧结工艺特点优势加热与加压同时进行烧结温度低温度致密度高1400-1600°C压力晶粒细小20-50MPa机械性能优异局限性形状限制成本高生产效率低放电等离子体烧结脉冲电流瞬态高电流等离子体产生粒子间产生放电快速加热升温速率100-500°C/min加压致密化施加压力50-100MPa微波烧结工艺原理工艺参数主要优势微波能被材料吸收频率节能高效

2.45GHz内部加热升温迅速功率升温快速1-5kW体积加热均匀烧结温度温度分布均匀1300-1500°C保温时间晶粒生长受控10-30min第四部分氧化铝陶瓷的应用机械工程轴承、密封件电子工业基板、绝缘体化工行业耐腐蚀部件生物医学植入物、牙科航空航天热防护、结构件机械工程应用轴承和密封件陶瓷轴承低摩擦系数、免润滑、耐磨损密封环耐腐蚀、耐高温、自润滑泵部件耐磨、耐腐蚀、寿命长阀门部件耐高温、硬度高、密封好切削工具刀片磨削工具喷嘴车削、铣削、钻孔研磨、抛光、精加工喷砂、喷丸、水切割电子工业应用基板材料电子封装高频电子元件优异热导率器件保护低介电损耗绝缘性好热管理高频稳定性热膨胀系数可控电绝缘耐高温机械强度高机械支撑高可靠性集成电路基板电子元件封装DIP封装双列直插式封装传统电子元件应用SMD封装表面贴装技术微型化元件应用MCM封装多芯片模块高度集成电路功率模块封装高功率设备优异散热性能化工行业应用耐腐蚀部件反应器内衬阀门部件泵浦部件耐酸碱、耐高温、使用寿命长耐腐蚀、密封性好、减少泄漏耐磨、耐化学侵蚀、寿命长过滤和分离微孔滤膜液体澄清过滤、微粒分离纳米分离膜分子级别筛分、气体分离催化剂载体化学反应、废气处理净水材料污水处理、饮用水净化生物医学应用牙科材料人工耳蜗牙冠、种植体听力重建人工关节手术器械髋关节、膝关节手术刀、钳子人工关节材料优势生物相容性好，无毒副作用磨损特性磨损率极低，延长使用寿命应用部位髋关节球头、膝关节面、肩关节临床效果降低排异反应，提高患者舒适度牙科材料全瓷牙冠牙种植体正畸托槽美观自然、生物相容、强度高骨整合好、稳定性强、寿命长美观透明、减少摩擦力、易清洁航空航天应用热防护系统结构部件电子设备隔热瓦发动机组件高频天线罩热屏蔽燃烧室部件雷达窗口防热涂层涡轮叶片涂层电子元件封装热防护系统1650°C

2.5最高工作温度轻质化程度航天器再入大气层时耐受温度比传统金属热防护降低重量倍数10x寿命提升相比传统材料使用寿命延长程度结构部件发动机组件燃烧室衬里、喷嘴、涡轮部件轴承系统高温、高速、免润滑轴承传感器部件高温、高压环境下的精密部件防护装甲轻质、高强度、防弹防爆部件第五部分氧化铝陶瓷的发展趋势材料设计与优化基于计算机模拟的性能预测制备工艺革新打印、纳米技术应用3D复合化与功能化新型复合材料、智能响应功能绿色可持续发展环保制备工艺、回收再利用材料设计与优化多尺度模拟材料数据库从原子到宏观结构的模拟预测海量数据支持材料设计高通量测试机器学习快速表征与性能评估智能算法优化配方与工艺新型制备工艺打印成型冷烧结技术场辅助烧结3D复杂结构、个性化定制、快速成形低温制备、节能环保、精确控制微波烧结、等离子体烧结、电场烧结复合化与功能化结构复合化表面功能化复合陶瓷超疏水表面Al₂O₃-ZrO₂纳米复合材料抗菌表面Al₂O₃-SiC金属陶瓷功能梯度材料催化活性表面-智能响应功能压电响应光电转换温度敏感变色纳米化与智能化纳米结构设计纳米晶、纳米孔、纳米纤维性能突破超高强度、韧性、透明度传感功能应力、温度、气体敏感自修复能力裂纹愈合、性能恢复环境友好与可持续发展原料回收利用废弃陶瓷回收再利用技术节能制备工艺低温快速烧结技术绿色加工无污染加工技术全生命周期管理从原料到回收的绿色循环未来应用展望深空探索极端环境耐受材料新能源领域固体氧化物燃料电池下一代电子器件高性能集成电路基板先进医疗应用4可控药物释放系统5G/6G通信设备高频介质谐振器总结与展望技术成熟度基础理论完善，制备工艺成熟市场发展年增长率以上，应用领域不断扩展10%关键挑战韧性提升、功能化、低成本制备未来前景跨学科融合，新兴应用领域拓展。