Vom Pulver zum Aluminiumoxidkeramik-Bauteil: Die unsichtbaren Helfer dahinter
Aluminiumoxidkeramikkomponenten mit ihren hervorragenden Eigenschaften wie hoher Härte, hoher Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und guter Isolierung finden breite Anwendung in der Elektronik, Medizin, Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen. Von elektronischen Präzisionsbauteilen bis hin zu mechanischen Teilen für raue Umgebungen – Aluminiumoxidkeramikkomponenten sind allgegenwärtig. Durch einfaches Hinzufügen von Wasser zu Aluminiumoxidpulver und anschließendes Brennen bei hohen Temperaturen lassen sich diese Hochleistungskeramikkomponenten mit hervorragenden Eigenschaften jedoch nicht direkt herstellen. 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 auch leicht zu groben Körnern und Leistungseinbußen. Darüber hinaus ist Aluminiumoxid selbst sehr spröde, und die direkt gesinterte Keramik neigt zur Rissbildung, was die Anforderungen an Präzisionsgeräte erschwert. Additive haben folgende Funktionen:
① Senkung 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 Thermoschockbeständigkeit);
④ Regulierung elektrischer/thermischer Eigenschaften (wie Isolierung und Wärmeleitfähigkeit).
In diesem Artikel werden mehrere häufig verwendete Zusatzstoffe vorgestellt:
1. Flussmittel: Reduzieren die Sintertemperatur und verbessern die Dichte.
Aluminiumoxid hat einen hohen Schmelzpunkt, und direktes Sintern verbraucht nicht nur viel Energie, sondern stellt auch extrem hohe Anforderungen an die Ausrüstung. Die Einführung von Flussmitteln hat dieses Problem effektiv gelöst. Sie wirken wie ein Temperaturregler, der die Sintertemperatur von Aluminiumoxidkeramik senken und so den Sinterprozess effizienter und energiesparender gestalten kann.
(1) Titandioxid (TiO₂) ist ein gängiges Flussmittel. Während des Sinterprozesses kann es mit Aluminiumoxid reagieren und ein Eutektikum bilden, wodurch die Temperatur, bei der die flüssige Phase entsteht, sinkt. Dies ähnelt dem Kochen, wo die Zugabe spezieller Gewürze die Zutaten schneller zum idealen Garpunkt bringen kann.Durch die Verwendung von Titandioxid als Flussmittel kann nicht nur die Sintertemperatur gesenkt, sondern auch die Härte von Aluminiumoxidkeramiken bis zu einem gewissen Grad verbessert werden.Beispielsweise kann bei einigen Schneidwerkzeugen aus Aluminiumoxidkeramik, die für Schneidprozesse verwendet werden, die Zugabe einer entsprechenden Menge Titandioxid die Verschleißfestigkeit der Schneidwerkzeuge erhöhen, während gleichzeitig eine hohe Härte erhalten bleibt, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird.
(2) Yttriumoxid (Y₂O₃) ist ebenfalls ein wichtiges Flussmittel.Es kann die Kristallphasenumwandlung von Aluminiumoxid bei hohen Temperaturen hemmen und so die Stabilität der Keramikstruktur aufrechterhalten.Bei Aluminiumoxidkeramikprodukten mit extrem hohen Anforderungen an die thermische Stabilität, wie etwa den Basen elektronischer Komponenten, die in Hochtemperaturumgebungen verwendet werden, kann die Zugabe von Yttriumoxid den Keramikkomponenten eine gute Wärmeschockbeständigkeit verleihen, sodass sie in Umgebungen mit schnellen Temperaturschwankungen weniger anfällig für Risse sind.
(3) Calciumoxid (CaO) hat ebenfalls eine reduzierende Wirkung auf die Sintertemperatur. Es kannBilden Sie mit Aluminiumoxid ein Eutektikum, wodurch der Energieverbrauch gesenkt und gleichzeitig übermäßiges Kornwachstum verhindert wird, was zur Herstellung von Keramik mit einer feinkörnigen Struktur beiträgt.Keramik mit feinkörniger Struktur weist in der Regel eine höhere Festigkeit und Zähigkeit auf. Bei einigen Aluminiumoxidkeramikteilen, die großen äußeren Kräften standhalten müssen, wie beispielsweise verschleißfesten Komponenten mechanischer Geräte, kann die Zugabe von Calciumoxid die Leistung der Teile verbessern.
2. Verstärkungs- und Härtungsmittel: Verbessern die Bruchzähigkeit und verringern die Sprödigkeit.
Obwohl Aluminiumoxidkeramiken eine hohe Härte aufweisen, ist ihre Zähigkeit relativ gering, sodass sie bei äußeren Einflüssen zu Sprödbrüchen neigen. Verstärkungs- und Härtungsmittel wirken wie eine Schutzschicht auf Aluminiumoxidkeramikkomponenten und können deren Festigkeit und Zähigkeit effektiv verbessern.
Siliziumkarbid(SiC) ist ein häufig verwendetes Verstärkungs- und Härtungsmittel. Seine Partikel sind gleichmäßig in der Aluminiumoxidmatrix verteilt.Bei äußeren Krafteinwirkungen auf das Keramikbauteil können die SiC-Partikel die Rissausbreitung behindern.Dies ist vergleichbar mit dem Aufstellen von Hindernissen auf einer Straße: Trifft ein Riss auf diese Partikel, ändert er seine Ausbreitungsrichtung, wodurch mehr Energie verbraucht wird und das Keramikbauteil weniger bruchanfällig wird. Bei Aluminiumoxidkeramiklagern, die in Umgebungen mit hoher Belastung eingesetzt werden, kann die Zugabe von Siliziumkarbid die Tragfähigkeit und Lebensdauer der Lager deutlich verbessern.
Bornitrid(BN) gehört ebenfalls zur Familie der Verstärkungs- und Härtemittel. Eskann die Reibungsleistung von Keramik verbessern und ihre Festigkeit und Zähigkeit erhöhenBei einigen Aluminiumoxidkeramikkomponenten, die eine gute Reibungsleistung erfordern, wie z. B. Keramikringen zur Dichtung, kann die Zugabe von Bornitrid Reibung und Verschleiß zwischen den Komponenten verringern, die Dichtwirkung verbessern und die Festigkeit der Komponenten erhöhen, um sie langlebiger zu machen. Übersteigt die Zugabemenge jedoch 10 %, kann die Härte abnehmen, sodass ein Gleichgewicht zwischen Schmierfähigkeit und Festigkeit hergestellt werden muss.
3. Funktionale Additive: Anpassung elektrischer, thermischer oder optischer Eigenschaften
Neben der Verbesserung der Grundeigenschaften können funktionelle Additive Aluminiumoxidkeramikkomponenten auch einige einzigartige Eigenschaften verleihen, um den Anforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden.
(1)Seltenerdoxide wie Lanthan und Cer, sind "magier" zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften. In einigen Aluminiumoxidkeramikkomponenten, die im Elektronikbereich verwendet werden, wie z. B. Keramiksubstraten für Hochfrequenzschaltungen,Durch Zugabe von Seltenerdoxiden können die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor von Keramiken angepasst und deren elektrische Leistung verbessert werden.Sie sind dadurch besser für den Einsatz in Hochfrequenzumgebungen geeignet und erweitern ihren Anwendungsbereich im Elektronikbereich.
(2) Farbstoffesind die "artists", die Aluminiumoxidkeramikkomponenten Farbe verleihen.Farbstoffe wie Chromoxid und Kobaltoxid können mit Aluminiumoxid reagieren und Keramik in verschiedenen Farben erzeugen.Bei einigen Keramikprodukten mit dekorativen Anforderungen, wie etwa Keramikgeschirr und dekorativen Ornamenten, können durch die Zugabe von Farbstoffen die Keramikkomponenten schöner und vielfältiger gestaltet werden und so den ästhetischen Ansprüchen verschiedener Verbraucher gerecht werden.
4. Bindemittel und Formhilfsmittel: Verbessern die Fließfähigkeit und Formfestigkeit des Pulvers.
Beim Formungsprozess von Aluminiumoxidkeramikkomponenten spielen Bindemittel und Formhilfsmittel eine entscheidende Rolle. Sie sind wie eine Gruppe von Helden, die Aluminiumoxidpulver lautlos in Strukturteile unterschiedlicher Form verwandeln.
Organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol (PVA) und Polyacrylat wirken wie Klebstoff, Verbinden von Aluminiumoxidpulvern während der Grünkörperformung, um dem Grünkörper eine gewisse Festigkeit zu verleihenzur Weiterverarbeitung und SinterungEin Beispiel hierfür ist das Foliengießen: PVA kann Aluminiumoxidpulver gleichmäßig in einem Lösungsmittel dispergieren und so einen Brei mit geeigneter Viskosität und Fließfähigkeit bilden, der dann im Foliengießverfahren zu einer Grünfolie gegossen wird. Nach dem Trocknen der Grünfolie behalten Bindemittel wie PVA ihre Form und Struktur und verhindern so Verformungen bei der Weiterverarbeitung.
Zu den Formhilfsmitteln zählen Schmiermittel, Dispergiermittel usw. Schmiermittel können die Reibung zwischen dem Pulver und der Form verringern, den Formverschleiß minimieren und eine gleichmäßige Dichte des Grünkörpers gewährleisten.Beim Trockenpressen kann die Zugabe einer angemessenen Menge Schmiermittel das Füllen der Form mit Pulver erleichtern und so die Dichte des Grünkörpers verbessern. Dispergiermittel,Andererseits muss eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers in der Aufschlämmung gewährleistet sein, um eine Agglomeration zu vermeiden.Beim Spritzgießen spielen Dispergiermittel eine besonders wichtige Rolle, da sie dem Schlicker eine gute Fließfähigkeit verleihen und so das Einspritzen in die Form zur Herstellung komplex geformter Keramikkomponenten erleichtern.
Additive spielen im Herstellungsprozess von Aluminiumoxidkeramik-Komponenten eine unverzichtbare Rolle. Sie unterstützen die Produktion von Aluminiumoxidkeramik-Komponenten umfassend in vielerlei Hinsicht, von der Senkung der Sintertemperatur und Leistungssteigerung bis hin zur Verleihung einzigartiger Eigenschaften und Formgebung. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt könnten in Zukunft weitere neue Additive entstehen, die weitere Möglichkeiten zur Leistungssteigerung und Anwendungserweiterung von Aluminiumoxidkeramik-Komponenten eröffnen.