基本信息
- 项目名称：
- 氧化铝陶瓷的低温烧结及其应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 项目通过对低温烧结助剂的优选，探讨了助剂对陶瓷烧结性能的影响规律，并揭示CuO-TiO2复合助剂降低氧化铝陶瓷烧结温度的机理，指出前人的研究缺陷。采用溶胶-凝胶法，将CuO-TiO2复合烧结助剂先驱体均匀“冻结”在铝凝胶网络中，在较低温度下了合成单一α-Al2O3纳米级粉体。在此基础上，对氧化铝陶瓷在陶瓷阀芯、微波介质陶瓷以及摩擦材料等方面的应用展开了研究。
- 详细介绍：
- V2O5-Li2CO3复合烧结助剂和单一Li2CO3烧结助剂对降低Al2O3陶瓷烧结温度的效果并不好。CuO-TiO2复合助剂通过TiO2固相烧结和CuO液相烧结机理能有效降低Al2O3陶瓷烧结温度，使其在1200℃实现烧结。 通过引入CuO与TiO2助剂先驱体，纳米粉体的合成温度从1200℃降低到1000℃，使单一α-Al2O3相的合成温度降低了100～200℃。同时缩短了γ-Al2O3向α-Al2O3的转变时间。通过引入MgO-CaO-Al2O3-SiO2玻璃助剂先驱体，可在1000℃获得单一α-Al2O3晶相，与未引入玻璃助剂先驱体相比，其合成温度降低了100～200℃。同时，玻璃助剂先驱体的引入，加快了γ-Al2O3向α-Al2O3的转变进程。 在铝溶胶中引入助剂先驱体得到的纳米氧化铝粉体，能够降低陶瓷的烧结温度。由CuO与TiO2助剂先驱体引入后在1000℃下煅烧制的纳米粉体，可使陶瓷在1150℃达到理论密度的95%以上。在 1100 ℃下煅烧添加了MgO-CaO-Al2O3 -SiO2的铝溶胶获得的粉体，可使陶瓷在1500℃实现烧结。 在上述材料配方探讨基础上，对低温烧结氧化铝陶瓷在摩擦材料、微波介质陶瓷、陶瓷阀芯等领域的应用展开了研究。以上述探讨获得的低温烧结氧化铝为原料，通过混料、压片、排胶、烧结，在1300 ℃温度下烧结制备出氧化铝陶瓷阀芯。由于本项目将氧化铝陶瓷阀芯的烧结温度从1750℃降低到1300℃，有效节省了陶瓷烧结过程中的能耗，具有重要的工业应用前景。据不完全统计，我国Al2O3含量在85%以上的高铝瓷产量已突破70kt/年，这对国家的节能降耗具有重要的意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 在氧化铝陶瓷中引入CuO-TiO2、CaO-MgO-Al2O3-SiO2以及CaSiO3等烧结助剂，分别利用液相与固相烧结降低氧化铝陶瓷的烧结温度。进而对烧结助剂进行优选，通过引入CuO-TiO2与CaO-MgO-Al2O3-SiO2助剂先驱体，使其均匀“冻结”在凝胶中并利用纳米颗粒与烧结助剂的协同作用来降低氧化铝陶瓷的烧结温度。对氧化铝陶瓷在陶瓷阀芯、微波介质陶瓷以及摩擦材料进行了应用研究。
科学性、先进性及独特之处
- 揭示CuO-TiO2复合助剂降低氧化铝陶瓷烧结温度的机理，指出了前人的研究缺陷。通过对低温烧结助剂的优选，采用溶胶-凝胶法，将烧结助剂先驱体均匀“冻结”在铝凝胶网络中，在较低温度下了合成纳米级氧化铝粉体，并利用纳米颗粒与烧结助剂的协同作用来降低氧化铝陶瓷的烧结温度。在降低氧化铝陶瓷烧结温度的基础上，对其在陶瓷阀芯、微波介质陶瓷以及摩擦材料等方面的应用展开了研究。
应用价值和现实意义
- 据不完全统计，我国氧化铝含量在85%以上的高铝瓷产量已突破70kt/年。当将高铝瓷烧成温度由1600-1650℃降至1450-1500℃，烧成能耗可降低25-35%。如此一来，每烧制1000 Kg高铝瓷可节电1100 kW•h或节约液化石油气180-210 kg。由于本项目将氧化铝陶瓷的烧结温度从1750℃降低到1300℃，有效节省了陶瓷烧结过程中的能耗，具有重要的工业应用前景。
学术论文摘要
- 通过在氧化铝陶瓷中添加V2O5-Li2CO3、Li2CO3、CuO-TiO2等烧结助剂，探讨了不同助剂种类及含量对氧化铝陶瓷烧结性能、物相组成、微观结构、力学性能、耐磨特性等的影响规律；在上述研究基础上，利用最佳的配方比例，通过在铝溶胶中引入CuO-TiO2与CaO-MgO-Al2O3-SiO2助剂先驱体，利用溶胶-凝胶法在较低温度下合成了纳米氧化铝粉体，进而利用纳米粉体与助剂的协同作用来降低氧化铝陶瓷的烧结温度。通过上述实验探讨发现，CuO-TiO2低温烧结助剂的引入，利用CuO液相烧结与TiO2固相烧结的协同作用，有效降低了氧化铝陶瓷的烧结温度；通过在溶胶中引入烧结助剂先驱体，纳米粉体的合成温度从1200℃降低到1000℃，使单一α-Al2O3相的合成温度降低了100～200℃，同时缩短了γ-Al2O3向α-Al2O3的转变时间。在上述材料配方探讨基础上，综合考虑陶瓷烧结温度与耐磨性能，利用最佳的陶瓷配方，在1300℃温度下烧结制备出氧化铝陶瓷阀芯，同时对对低温烧结氧化铝陶瓷应用于汽车制动用摩擦材料、移动通讯用微波介质陶瓷等应用研究展开了探讨。
获奖情况
- （1）张斌, 王焕平, 马红萍, 徐时清, 李登豪, 周广淼. CuO-TiO2复合助剂低温烧结氧化铝陶瓷机理(Ⅰ) [J]. 材料研究学报, 2009, 23(5): 534.（EI收录） （2）李登豪, 王焕平, 马红萍, 徐时清, 张斌, 周广淼, 刘银红. 玻璃先驱体对溶胶-凝胶合成纳米氧化铝的影响 [J]. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(A02): 336.（SCI收录） （3）王焕平, 张斌, 马红萍, 徐时清, 李登豪, 周广淼. CuO-TiO2复合助剂低温烧结氧化铝陶瓷的机理(Ⅱ) [J]. 材料研究学报, 2010, 24(1): 37-43.（EI收录） （4）王世锋, 王焕平, 周广淼, 李登豪, 张斌, 徐时清. 溶胶-凝胶法低温合成亚微米α-Al2O3的制备与表征 [J]. 化工学报, 2010, 61(12): 3309.（EI收录） （5）王世锋, 王焕平, 张斌, 周广淼, 徐时清. 氧化铝粉体及混杂纤维改性树脂基复合材料的摩擦磨损性能 [J]. 非金属矿, 2010, 33(6): 72-75. （6）Jin-min Chen, Huan-ping Wang, Si-qiao Feng, hong-ping Ma, De-gang Deng, Shi-qing Xu. Effects of CaSiO3 addition on sintering behavior and microwave dielectric properties of Al2O3 ceramics [J]. Ceramics international, 2011, 37: 989.（SCI收录） （7）发明专利：一种合成纳米氧化铝粉体的方法. 王焕平, 徐时清, 邓德刚, 鞠海东, 周广淼. 发明专利申请号: 200810164121.4（已获授权） （8）发明专利：合成高温稳定型α-Al2O3纳米粉体的方法. 徐时清, 王焕平, 赵士龙, 王宝玲, 张斌, 李登豪. 发明专利申请号: 200810164120.X，（已获授权）
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 史国普, 王志, 侯宪钦, 孙翔, 俎全高, 徐秋红.低温烧结氧化铝陶瓷, 济南大学学报(自然科学版), 2007, 21(1): 17-19. [2] 刘银, 武成利, 黄文中, 郑林义, 陆向阳, 张明旭. 纳米Al2O3粉添加对氧化铝陶瓷烧结行为的研究, 安徽理工大学学报(自然科学版), 2006, 26(01): 41-44. [3] 李江, 潘裕柏, 宁金威, 黄莉萍, 郭景坤. 纳米晶添加氧化铝粉体的低温烧结研究, 无机材料学报, 2003, 18(6): 1192-1198. [4] 刘于昌, 黄晓巍. 液相烧结氧化铝陶瓷及其烧结动力学分析, 硅酸盐学报, 2006, 34(6): 647-651. [5] 韩冰, 李志宏. 沉淀法制备纳米α-Al2O3的工艺, 化学工业与工程, 2006, 23(6): 512-515. [6] 张永成, 陈沙鸥, 栾伟娜, 邵渭泉, 李达. 碳酸氢铵沉淀法制备纳米氧化铝粉体的性能与表征, 硅酸盐通报, 2007, 26(5): 901-904. [7] 赵玉成, 王明智, 王艳辉, 于金库. 液相法纳米氧化铝粉的制备, 燕山大学学报, 2005, 29(1): 88-91. [8] 史桂梅, 黄炎. 溶胶-凝胶法Al2O3纳米粉体的制备及表征, 沈阳工业大学学报, 2007, 29(3): 275-278 [9] Cheng-Liang Huang, Jun-Jie Wang, Fu-Su Yen, Chi-Yuen Huang. Microwave dielectric properties and sintering behavior of nano-scaled (α + θ)-Al2O3 ceramics, Materials Research Bulletin, Volume 43, Issue 6, 3 June 2008, Pages 1463-1471. [10] Kingery W D. Densification during sintering in the presence of a liquid phase, Ⅰ theory, J Appl Phys, 1959, 30(3): 301-306.
同类课题研究水平概述
- 一种途径是通过获得分散均匀、无团聚，并具有良好烧结活性的超细粉体来达到降低陶瓷烧结温度的目的。例如刘银等通过在粗晶氧化铝陶瓷中添加40%的纳米Al2O3粉体，可将氧化铝陶瓷的烧结温度降低到1550 ℃以下；CL Huang等以纳米级氧化铝粉体为原料，在1450 ℃实现了氧化铝陶瓷的致密烧结。另一种降低陶瓷材料烧结温度的方法是添加适量的烧结助剂，以达到降低陶瓷材料烧结温度的目的。李江等以湿化学法制备的纳米α-Al2O3粉体作为添加剂、MgO和SiO2为烧结助剂，对γ-Al2O3粉体预处理后，在1450 ℃烧结获得高性能的氧化铝陶瓷；此外，CaO-MgO-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2、CaO-A12O3-SiO2玻璃以及TiO2、B2O3、MnO、CuO等氧化物已用于降温烧结氧化铝陶瓷，其中玻璃和部分氧化物可将氧化铝的烧结温度降低到1400～1450 ℃，MnO+TiO2与CuO+TiO2可在1250～1300 ℃实现氧化铝陶瓷的致密烧结。 纳米氧化铝的制备方法多种多样，有固相法、气相法、液相法等，其中沉淀法、溶胶-凝胶法等湿化学方法是应用最广、最为成熟的方法。韩冰等利用硝酸铝溶液和碳酸铵溶液的沉淀反应制备一种氧化铝的前驱体，在1210 ℃煅烧1 h可转化为一次粒径40 nm左右的α-Al2O3。张永成等以Al(NO3)3•9H2O、NH4HCO3为原料，采用化学沉淀法制备了NH4Al(OH)2CO3和AlO(OH)前驱体，在1100 ℃煅烧后获得θ与α两相共存的纳米Al2O3粉体。赵玉成等以廉价的无水氯化铝为原料，采用液相法制备出Al(OH)3沉淀，经1200 ℃煅烧2 h后，获得平均粒径30～80 nm的α-Al2O3。M. Shojaie Bahaabad等采用价格低廉的AlCl3•6H2O与Al粉为原料，通过溶胶-凝胶法在1100 ℃煅烧后获得纳米级的α-Al2O3粉体，经过1200 ℃热处理后粉体的粒径在32～100 nm之间。史桂梅等以异丙醇铝（Al(C3H7O)3）为原料，采用溶胶-凝胶法制备出了纳米Al2O3粉体，在450 ℃热处理干凝胶后获得粒径在10 nm左右的非晶体，在1200 ℃的温度下处理1 h后完全转变成粒径在15～35 nm的α-Al2O3纳米颗粒。
