氧化鋁陶瓷為何要加添助劑？

　　氧化鋁陶瓷有許多可圈可點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，例如高硬度，耐高溫，耐磨、抗氧化等等，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。然而，氧化鋁自身陽離子電荷多，半徑小，離子鍵強(qiáng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致其晶格能較大，擴(kuò)散系數(shù)低，燒結(jié)溫度高。一般純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度在1700℃以上，這樣高的燒結(jié)溫度在工業(yè)上較難普遍實(shí)現(xiàn)，而且不利于降低成本，同時(shí)結(jié)構(gòu)上也會(huì)有存在較多的缺陷，對(duì)氧化鋁陶瓷的材料力學(xué)性能不利，為了促進(jìn)氧化鋁陶瓷致密化，降低燒結(jié)溫度，一般在原料里引入添加劑來降低其燒結(jié)溫度或改善其燒結(jié)性能。

添加劑的類型和特征

　　添加劑的作用機(jī)理與其離子半徑和化合價(jià)有關(guān)。根據(jù)作用機(jī)理的不同，可以把添加劑分為２類：第一類是生成液相，這類添加劑如SiO2、MgO、CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物，在晶界形成低熔點(diǎn)的玻璃相，促進(jìn)燒結(jié)，電性能良好，適于制備電子陶瓷；第二類是生成固溶體，這類添加劑如Cr2O3、Fe2O3、TiO2、MnO等，它們與氧化鋁基體形成置換固溶體，降低燒結(jié)溫度，同時(shí)降低陶瓷的體積電阻率，適于有力學(xué)要求的場(chǎng)合。

第一類示例：氧化鋁陶瓷基片

第二類示例：氧化鋁結(jié)構(gòu)件來源：宜興市錦程機(jī)械精磨廠

     1、生成液相添加劑的作用機(jī)理：

　　第一類添加劑多為立方密堆積、NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，它們?cè)贏l2O3中的“溶解度”極小，通過雜質(zhì)聚集在晶界處的方式，減少了它們?cè)诨w中的含量，隨著燒結(jié)的繼續(xù)進(jìn)行，晶界數(shù)量和面積減少，晶界處雜質(zhì)的濃度相對(duì)增加，使晶界處的共溶溫度下降，當(dāng)達(dá)到一定極限，就成為液相，促進(jìn)了燒結(jié)，提高了材料的密度。這種材料內(nèi)部晶粒往往很大。

     2、生成固溶體添加劑的作用機(jī)理：

　　這類添加劑如晶格類型與氧化鋁一樣或接近，Cr2O3、Fe2O3可與Al2O3形成無限置換固溶體，TiO2、MnO可與Al2O3形成有限置換固溶體，使晶格發(fā)生一定程度的畸變，而且由于這些化合物為變價(jià)化合物，可以活化晶格，降低燒結(jié)溫度。它們主要是通過質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散或界面移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)致密化，促進(jìn)燒結(jié)；它們多為有色添加劑，加入它們后，會(huì)改變瓷片的白色狀態(tài)；由于這些化合物為變價(jià)化合物，在電場(chǎng)和高溫、高濕環(huán)境下易發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致介電損耗增加，體積電阻率降低，在Al2O3陶瓷基板配方中，不用或者慎用這些化合物。

主要添加劑的作用

     1、MgO的作用

     MgO是Al2O3燒結(jié)過程中的顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑，它可以細(xì)化晶粒，大大減小晶界能的差異，削弱晶粒生長(zhǎng)的各向異性，抑制不連續(xù)的晶粒生長(zhǎng)。

　　人們對(duì)MgO抑制Al2O3晶粒生長(zhǎng)的機(jī)理看法不一，大致有４種機(jī)理：①第二相釘扎在晶界，抑制氣孔與晶界脫附，避免氣孔被包裹；②）固溶雜質(zhì)偏析在晶界，抑制晶粒生長(zhǎng)；③由于晶界能與表面能的比值在燒結(jié)時(shí)發(fā)生較小的變化，導(dǎo)致氣相形態(tài)的變化，產(chǎn)生氣相在晶界釘扎；④由于二價(jià)鎂產(chǎn)生缺陷結(jié)構(gòu)的變化，加快了致密化速率，該速率明顯大于晶粒生長(zhǎng)速率。

　　由于MgO高溫?fù)]發(fā)性較強(qiáng)，為了達(dá)到良好的效果，常將La2O3或Y2O3同MgO混合引入。La2O3或Y2O3的引入，可以細(xì)化晶粒，促進(jìn)燒結(jié)致密化，但會(huì)降低致密化的速率。

    2、SiO2的作用

　　原料中SiO2的含量的提高，能顯著削弱或消除Na2O雜質(zhì)對(duì)瓷體介電損耗的有害影響。在SiO2存在的情況下，鈉離子可以轉(zhuǎn)移到硅酸鹽玻璃相中或者形成鈉長(zhǎng)石(NaO·Al2O3·6SiO2)之類的化合物，從而減少和消除陶瓷中的β-Al2O3，減少了其有害作用。

    3、CaO、SrO、BaO的作用

     ①對(duì)介電性能的影響

CaO的引入可有效地降低瓷料的介電損耗。但CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物的加入量不宜過多，否則，會(huì)使瓷坯中的顯氣孔率迅速增大。文獻(xiàn)報(bào)道，CaO含量超過MgO的一半時(shí)，陶瓷基板的耐酸能力將下降。

     ②對(duì)燒結(jié)溫度的影響

　　種種研究表明，在氧化鋁陶瓷里，要得到顯微結(jié)構(gòu)致密、晶粒均勻細(xì)小的結(jié)構(gòu)，必須含有MgO和微量的CaO。這類添加劑通常用于與其他成分配伍形成低共熔點(diǎn)體系。

      4、TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、V2O5的作用

　　這類添加劑與CaO、MgO、SiO2不同，它們不形成液相，由于他們的晶體結(jié)構(gòu)與Al2O3接近或一樣，離子半徑接近，故它們?cè)谘趸X里形成有限或無限固溶體，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，且它們均為變價(jià)化合物，在燒結(jié)過程中，電價(jià)還可以發(fā)生變化，活化晶格，可顯著促進(jìn)燒結(jié)。

　　這類添加劑的作用規(guī)律

    ①能與Al2O3形成有限固溶體的添加劑較形成連續(xù)固溶體的添加劑的降溫作用大；②可變價(jià)離子的添加劑比不變價(jià)的添加劑的作用大；③陽離子電荷多的、電價(jià)高的添加劑的降溫作用更大。

　　這類添加劑的缺點(diǎn)是：由于這類添加劑是在缺少液相的條件下燒結(jié)的（重結(jié)晶燒結(jié)），故晶體內(nèi)的氣孔較難填平，氣密性較差，且由于添加物為變價(jià)化合物，在潮濕或電場(chǎng)作用下，易發(fā)生電子的遷移，導(dǎo)致電性能下降很多。故在陶瓷電路基板行業(yè)中不用或慎用這類添加劑。