Aluminiumoxid-Keramikbauteile finden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher Härte, hoher Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und guter Isolation breite Anwendung in der Elektronik, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt sowie weiteren Bereichen. Von präzisen elektronischen Bauteilen bis hin zu mechanischen Komponenten für anspruchsvolle Umgebungen sind Aluminiumoxid-Keramikbauteile allgegenwärtig. Die einfache Zugabe von Wasser zu Aluminiumoxidpulver und das anschließende Brennen bei hoher Temperatur reichen jedoch nicht aus, um diese Hochleistungskeramikbauteile mit ihren exzellenten Eigenschaften herzustellen. Additive spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Reines Aluminiumoxid hat einen Schmelzpunkt von bis zu 2050 °C, und die Sintertemperatur muss üblicherweise über 1600 °C liegen. Dies führt nicht nur zu einem hohen Energieverbrauch, sondern begünstigt auch grobes Korn und Leistungseinbußen. Zudem ist Aluminiumoxid selbst sehr spröde, und direkt gesinterte Keramiken neigen zu Rissen, wodurch die Anforderungen an Präzisionsgeräte nur schwer erfüllt werden. Die Funktionen der Additive sind folgende:
① Reduzierung der Sintertemperatur (Energieeinsparung und Kostensenkung);
② Verbesserung der Dichte (Verringerung der Poren und Erhöhung der Festigkeit);
③ Optimierung der Korngrenzenstruktur (Verbesserung der Zähigkeit und der Temperaturwechselbeständigkeit);
④ Regulierung elektrischer/thermischer Eigenschaften (wie z. B. Isolation und Wärmeleitfähigkeit).
Dieser Artikel stellt einige häufig verwendete Zusatzstoffe vor:
1. Flussmittel: Sie senken die Sintertemperatur und verbessern die Dichte.
Aluminiumoxid besitzt einen hohen Schmelzpunkt, und das direkte Sintern ist nicht nur sehr energieintensiv, sondern stellt auch extrem hohe Anforderungen an die Anlagen. Die Entwicklung von Flussmitteln hat dieses Problem effektiv gelöst. Sie wirken wie ein Temperaturregler und können die Sintertemperatur von Aluminiumoxidkeramik senken, wodurch der Sinterprozess effizienter und energiesparender wird.
(1) Titandioxid (TiO₂) ist ein gängiges Flussmittel. Beim Sinterprozess reagiert es mit Aluminiumoxid und bildet ein Eutektikum, wodurch die Temperatur, bei der die flüssige Phase eintritt, gesenkt wird. Dies ist vergleichbar mit dem Kochen, wo die Zugabe bestimmter Gewürze dazu beiträgt, dass Zutaten schneller den idealen Garzustand erreichen. Die Verwendung von Titandioxid als Flussmittel kann nicht nur die Sintertemperatur senken, sondern auch die Härte von Aluminiumoxidkeramik bis zu einem gewissen Grad verbessern. Beispielsweise kann die Zugabe einer geeigneten Menge Titandioxid bei einigen Aluminiumoxid-Keramikschneidwerkzeugen, die für Schneidprozesse verwendet werden, deren Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig hoher Härte erhöhen und somit deren Lebensdauer verlängern.
(2) Yttriumoxid (Y₂O₃) ist ebenfalls ein wichtiges Flussmittel. Es hemmt die Kristallphasenumwandlung von Aluminiumoxid bei hohen Temperaturen und erhält so die Stabilität der Keramikstruktur. Bei Aluminiumoxid-Keramikprodukten mit extrem hohen Anforderungen an die thermische Stabilität, wie beispielsweise den Sockeln elektronischer Bauteile für Hochtemperaturumgebungen, verleiht die Zugabe von Yttriumoxid den Keramikbauteilen eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und verringert deren Rissanfälligkeit bei schnellen Temperaturänderungen.
(3) Calciumoxid (CaO) senkt die Sintertemperatur. Es bildet mit Aluminiumoxid ein Eutektikum, wodurch der Energieverbrauch sinkt und gleichzeitig übermäßiges Kornwachstum verhindert wird. Dies begünstigt die Herstellung von Keramiken mit feinkörniger Struktur. Keramiken mit feinkörniger Struktur weisen in der Regel eine höhere Festigkeit und Zähigkeit auf. Bei Aluminiumoxid-Keramikteilen, die hohen äußeren Kräften standhalten müssen, wie beispielsweise verschleißfeste Komponenten von Maschinen, kann die Zugabe von Calciumoxid die Leistungsfähigkeit der Teile verbessern.
2. Verstärkungs- und Zähigkeitsmittel: Verbessern die Bruchzähigkeit und verringern die Sprödigkeit.
Obwohl Aluminiumoxidkeramiken eine hohe Härte aufweisen, ist ihre Zähigkeit relativ gering, wodurch sie bei äußerer Einwirkung zu Sprödbrüchen neigen. Die Entwicklung von Verstärkungs- und Zähigkeitsmitteln wirkt wie das Aufbringen einer Schutzschicht auf Aluminiumoxidkeramikbauteile und kann deren Festigkeit und Zähigkeit effektiv verbessern.
Siliciumcarbid (SiC) ist ein häufig verwendetes Verstärkungs- und Zähigkeitsmittel. Seine Partikel sind gleichmäßig in der Aluminiumoxidmatrix verteilt. Wird das Keramikbauteil äußeren Kräften ausgesetzt, können die SiC-Partikel die Rissausbreitung behindern. Dies ist vergleichbar mit Hindernissen im Straßenverkehr: Trifft ein Riss auf diese Partikel, ändert er seine Ausbreitungsrichtung, wodurch mehr Energie verbraucht wird und das Keramikbauteil weniger bruchanfällig wird. In Aluminiumoxid-Keramiklagern, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, kann die Zugabe von Siliciumcarbid die Tragfähigkeit und Lebensdauer der Lager deutlich verbessern.
Bornitrid (BN) gehört ebenfalls zur Gruppe der Verstärkungs- und Zähigkeitsmittel. Es verbessert die Reibungseigenschaften von Keramiken und erhöht deren Festigkeit und Zähigkeit. Bei einigen Aluminiumoxid-Keramikbauteilen, die gute Reibungseigenschaften erfordern, wie beispielsweise Dichtungsringe, kann die Zugabe von Bornitrid Reibung und Verschleiß zwischen den Bauteilen reduzieren, die Dichtungswirkung verbessern und die Festigkeit der Bauteile erhöhen, wodurch deren Lebensdauer verlängert wird. Übersteigt die Zugabemenge jedoch 10 %, kann die Härte abnehmen. Daher ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Schmierfähigkeit und Festigkeit erforderlich.
3. Funktionelle Additive: Anpassung der elektrischen, thermischen oder optischen Eigenschaften
Neben der Verbesserung der Grundeigenschaften können funktionelle Additive Aluminiumoxid-Keramikbauteile auch mit einzigartigen Eigenschaften ausstatten, um den Bedürfnissen verschiedener Anwendungsbereiche gerecht zu werden.
(1) Seltenerdoxide wie Lanthan und Cer sind wahre Wundermittel zur Verbesserung elektrischer Eigenschaften. In einigen in der Elektronik verwendeten Aluminiumoxid-Keramikbauteilen, beispielsweise Keramiksubstraten für Hochfrequenzschaltungen, kann die Zugabe von Seltenerdoxiden die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor der Keramik anpassen, ihre elektrische Leistungsfähigkeit steigern, sie besser für den Einsatz in Hochfrequenzumgebungen geeignet machen und ihren Anwendungsbereich in der Elektronik erweitern.
(2) Farbstoffe sind Substanzen, die Aluminiumoxid-Keramikkomponenten Farbe verleihen. Farbstoffe wie Chromoxid und Kobaltoxid reagieren mit Aluminiumoxid und erzeugen so Keramik in verschiedenen Farben. Bei Keramikprodukten mit dekorativen Anforderungen, wie beispielsweise Keramikgeschirr und Ziergegenständen, kann die Zugabe von Farbstoffen die Keramikkomponenten optisch aufwerten und die Vielfalt erhöhen, wodurch die ästhetischen Bedürfnisse verschiedener Verbraucher erfüllt werden.
4. Bindemittel und Formhilfsmittel: Verbessern die Fließfähigkeit des Pulvers und die Formfestigkeit.
Bei der Herstellung von Aluminiumoxid-Keramikbauteilen spielen Bindemittel und Formhilfsmittel eine entscheidende Rolle. Sie wirken wie eine Gruppe von Helden, die im Stillen Aluminiumoxidpulver in Strukturbauteile verschiedener Formen verwandeln.
Organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol (PVA) und Polyacrylat wirken wie Klebstoff und verbinden Aluminiumoxidpulver während der Grünlingbildung. Dadurch erhält der Grünling die nötige Festigkeit für die nachfolgende Verarbeitung und das Sintern. Ein Beispiel hierfür ist das Bandgießverfahren: PVA dispergiert Aluminiumoxidpulver gleichmäßig in einem Lösungsmittel und bildet eine Suspension mit geeigneter Viskosität und Fließfähigkeit. Diese wird anschließend im Bandgießverfahren zu einem Grünling gegossen. Nach dem Trocknen des Grünlings erhalten Bindemittel wie PVA dessen Form und Struktur und verhindern so Verformungen während der weiteren Verarbeitung.
Formhilfsmittel umfassen Gleitmittel, Dispergiermittel usw. Gleitmittel reduzieren die Reibung zwischen Pulver und Form, minimieren den Formverschleiß und gewährleisten eine gleichmäßige Dichte des Grünlings. Beim Trockenpressen erleichtert die Zugabe einer geeigneten Menge Gleitmittel das Ausfüllen der Form und verbessert so die Dichte des Grünlings. Dispergiermittel hingegen sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers in der Suspension und verhindern so ein Verklumpen. Beim Spritzgießen spielen Dispergiermittel eine besonders wichtige Rolle, da sie der Suspension eine gute Fließfähigkeit verleihen und so das Einspritzen in die Form zur Herstellung komplex geformter Keramikbauteile erleichtern.
Additive spielen eine unverzichtbare Rolle im Herstellungsprozess von Aluminiumoxid-Keramikbauteilen. Sie unterstützen die Produktion dieser Bauteile umfassend in vielerlei Hinsicht, von der Senkung der Sintertemperatur und der Verbesserung der Eigenschaften bis hin zur Erzielung einzigartiger Eigenschaften und der Formgebung. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt werden zukünftig weitere neue Additive entwickelt, die zusätzliche Möglichkeiten zur Leistungssteigerung und Erweiterung des Anwendungsbereichs von Aluminiumoxid-Keramikbauteilen eröffnen.
