什么樣的陶瓷粉體算是“根正苗紅”？

2024-04-23 10:50:13 來源：粉體網(wǎng)

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簡(jiǎn)介：先進(jìn)陶瓷作為一種材料，在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要角色。它具有出色的性能特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，因此對(duì)于我們的生活和科技發(fā)展具有巨大的重要性。粉體科學(xué)是先進(jìn)陶瓷制備過程中的重要組成部分。粉體在形成陶瓷材料時(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此對(duì)先進(jìn)陶瓷的定義體現(xiàn)了粉體的重要性。先進(jìn)陶瓷是指在高溫下制備而成的具有優(yōu)異性能的陶瓷材料。關(guān)于粉體對(duì)先進(jìn)陶瓷的重要性，從人們對(duì)先進(jìn)陶瓷的定義便有直接體現(xiàn)。

先進(jìn)陶瓷作為一種材料，在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要角色。它具有出色的性能特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，因此對(duì)于我們的生活和科技發(fā)展具有巨大的重要性。粉體科學(xué)是先進(jìn)陶瓷制備過程中的重要組成部分。粉體在形成陶瓷材料時(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此對(duì)先進(jìn)陶瓷的定義體現(xiàn)了粉體的重要性。先進(jìn)陶瓷是指在高溫下制備而成的具有優(yōu)異性能的陶瓷材料。關(guān)于粉體對(duì)先進(jìn)陶瓷的重要性，從人們對(duì)先進(jìn)陶瓷的定義便有直接體現(xiàn)。

我國一般對(duì)先進(jìn)陶瓷定義是：采用高純度、超細(xì)人工合成或精選的無機(jī)化合物為原料，具有精確的化學(xué)組成、精密的制造加工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并具有優(yōu)異的力學(xué)、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷，是由金屬元素(Al、Zr、Ca等)和非金屬元素(O、C、Si、B等)組成的氧化物或非氧化物，由離子鍵和共價(jià)鍵共同結(jié)合的陶瓷材料。

在日本，他們習(xí)慣稱之為精細(xì)陶瓷，對(duì)其的定義為：經(jīng)過嚴(yán)密組分、構(gòu)造、形狀等控制工藝構(gòu)成，在某個(gè)階段歷經(jīng)高溫操作的無機(jī)非金屬產(chǎn)品以及原料中間體。他們又將陶瓷原料粉末與陶瓷部件獨(dú)立開來，同時(shí)又根據(jù)化學(xué)成分、粉體物性等作為指標(biāo)等加以詳細(xì)分類統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)相關(guān)定義，陶瓷粉體“根正苗紅”才能生產(chǎn)出高性能的陶瓷產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)研發(fā)人員對(duì)此更是深有體會(huì)。那么，這就又引出一個(gè)值得討論的話題，什么樣的陶瓷粉體算是“根正苗紅”，稱得上“高質(zhì)量”粉體呢?一般認(rèn)為，至少有以下幾個(gè)方面。

化學(xué)成分

從化學(xué)成分來講，一般追求兩個(gè)方面：高純度與精確的配比。

高純度方面。雜質(zhì)的存在有時(shí)候會(huì)嚴(yán)重影響到制品的性能，例如：在高純氧化鋁中，往往會(huì)存在硅、鈣、鐵、鈉、鉀等雜質(zhì)。鐵雜質(zhì)的存在會(huì)使燒結(jié)后的材料發(fā)黑發(fā)暗;鈉、鉀雜質(zhì)會(huì)影響材料的電性能，導(dǎo)致其電性能變差;剩余兩種雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致材料在燒結(jié)過程中晶粒異常長(zhǎng)大。在透明陶瓷方面雜質(zhì)的影響就更大了，陶瓷粉體中雜質(zhì)的存在將直接宣布透明陶瓷“失明”，這是因?yàn)殡s質(zhì)作為第二相，與陶瓷本體材料的光學(xué)性能差異巨大，往往會(huì)造成散射和吸收中心，會(huì)大大降低了陶瓷的透光性。在氮化硅和氮化鋁等氮化物陶瓷中，氧雜質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱性能的下降。在多層陶瓷電容器的生產(chǎn)中，雜質(zhì)少純度高，四方相含量高的鈦酸鋇粉體，會(huì)更受到歡迎，可用于制作微型化、靜電容量更高且不易擊穿的高性能MLCC 元件。當(dāng)然，在多層陶瓷電容器的生產(chǎn)中，需要將鈦酸鋇粉體通過添加改性助劑提升陶瓷粉料性能形成配方粉，這還會(huì)涉及到下面講的精確配比的問題。

配比方面。在陶瓷生產(chǎn)配方中，大多時(shí)候不需要極度“高純”的單一組分，而往往會(huì)摻雜一些輔料，如燒結(jié)助劑等。這種情況下，配比準(zhǔn)確是最基本要求，因?yàn)椴煌幕瘜W(xué)成分和含量，會(huì)對(duì)制品的性能產(chǎn)生決定性的影響。例如將MgO作為助劑燒結(jié)氧化鋁陶瓷時(shí)，MgO的存在會(huì)加快晶界擴(kuò)散，對(duì)晶粒有一定的細(xì)化作用，致密度與力學(xué)性能較好，但當(dāng)MgO含量過多時(shí)，雖然對(duì)晶粒細(xì)化作用增強(qiáng)，但在晶界形成的鎂鋁尖晶石會(huì)使氣孔排出受阻，會(huì)導(dǎo)致致密度變差。再比如說鈦酸鍶陶瓷，當(dāng)鍶過量時(shí)，容易在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生重結(jié)晶，而鈦過量時(shí)，則可能阻礙燒結(jié)。

相組成

一般要求粉體盡可能具備與陶瓷制品相同的物相，不希望在燒結(jié)過程中發(fā)生相變。雖然某些時(shí)候，相變的確對(duì)陶瓷的致密化能起到促進(jìn)作用，但在絕大多數(shù)情況下，相變的發(fā)生是不利于陶瓷的燒結(jié)的。比如氧化鋁陶瓷的燒結(jié)，一般都采用α-相也就是剛玉相粉料，如果采用的是θ-相或γ-相粉料，在燒結(jié)過程中相變產(chǎn)生的體積收縮很難控制，制品容易出現(xiàn)變形。而如果是氧化鋯陶瓷，如果燒結(jié)過程中發(fā)生相變，那就會(huì)直接導(dǎo)致陶瓷的開裂。

對(duì)氮化硅陶瓷而言，常見的氮化硅粉體按晶型不同分為兩種，一種是α相Si3N4，另一種是β相Si3N4。當(dāng)溫度高于1400℃時(shí)，α相會(huì)發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，并且α→β的相變過程是不可逆的過程。使用α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的Si3N4粉體更有利于制備出高強(qiáng)度、高致密度、高β相Si3N4的氮化硅陶瓷。其原因在于：α-Si3N4在液相燒結(jié)過程中發(fā)生溶解，然后在析出反應(yīng)過程中形成β-Si3N4;當(dāng)粉體中β相質(zhì)量分?jǐn)?shù)>30%時(shí)，在燒結(jié)溶解—再析出的過程中驅(qū)動(dòng)力減少;在后續(xù)晶粒粗化過程中，β-Si3N4的各向異性生長(zhǎng)會(huì)形成自增韌的顯微結(jié)構(gòu)。由于陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)主要由較細(xì)的等軸晶粒組成，β-Si3N4會(huì)抑制氮化硅陶瓷的致密化過程。因此，α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的氮化硅陶瓷粉末作為燒結(jié)的初始粉末是制備高性能氮化硅陶瓷材料的基礎(chǔ)。

日本宇部(UBE)探究了粉體質(zhì)量對(duì)陶瓷熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度的影響行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉體粒徑D50為0.4~1.5μm，比表面積(BET)為4.0~9.0m2/g，α相含量>95%(質(zhì)量)，O含量為0.2%~0.95%(質(zhì)量)，C含量<0.2%(質(zhì)量)，F(xiàn)含量<0.003%(質(zhì)量)，Cl含量<0.01%(質(zhì)量)，以及Ca+Fe+Al等其他金屬總雜質(zhì)<0.05%(質(zhì)量)時(shí)，具有較高的燒結(jié)活性，可制備出熱導(dǎo)率>100W/(m·K)，抗彎強(qiáng)度大(>1000MPa)的高性能基板。

顆粒尺寸與形貌

一般而言，顆粒越細(xì)越好。因?yàn)榘凑宅F(xiàn)有的燒結(jié)理論，坯體致密度的速度與粉料的大小(或其某次方的大小)是成反比的，顆粒越小，越有利于燒結(jié)。例如超細(xì)氮化鋁粉體由于其高的比表面積，會(huì)在燒結(jié)的過程中增加燒結(jié)的推動(dòng)力，加速燒結(jié)的過程。此外，粉體的尺寸變小也就意味著物質(zhì)的擴(kuò)散距離變短，高溫下有利于液相物質(zhì)的生成，極大地加強(qiáng)了流動(dòng)傳質(zhì)作用。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，工業(yè)上一般要求超細(xì)氮化鋁粉體的D50(即顆粒累積分布為50%的粒徑)尺寸盡可能地保持在1~1.5μm左右且粒度均勻。

也有研究表明，合理的顆粒粒度及顆粒級(jí)配的粉料、通過加入粘結(jié)劑對(duì)粉末進(jìn)行造粒，使其具有更好的流動(dòng)性對(duì)后續(xù)的成型和燒結(jié)會(huì)產(chǎn)生積極的影響，主要原因是粒度分布寬的粉體中存在的大顆粒會(huì)形成較多空隙，這些空隙在成型過程中會(huì)被細(xì)顆粒所填充。但前提是必須在一定的粒度分布范圍內(nèi)，否則較寬的粒度分布會(huì)導(dǎo)致材料局部顆粒的堆積而產(chǎn)生致密化的差異，甚至在超過一定的粒度分布時(shí)，燒結(jié)體的晶粒尺寸會(huì)過大，孔結(jié)構(gòu)變粗。

規(guī)則形貌的陶瓷粉體具有更好的流動(dòng)性對(duì)后續(xù)的成型和燒結(jié)會(huì)產(chǎn)生積極的影響，造粒工藝就是讓粉體在粘結(jié)劑的作用下形成類球狀的形貌，這也間接表明球形陶瓷粉體在成型和燒結(jié)過程中對(duì)提高陶瓷的致密度有著積極的作用。

均勻性

粉料的均勻性很容易被忽略，但實(shí)際上其重要性比前面幾方面更為重要，或者說前面幾方面性能的好壞，很重要的一點(diǎn)就是看其均勻性如何。

比如粉料的化學(xué)成分。前面說過，理論上化學(xué)組成按化學(xué)計(jì)量最合適，但前提是各種組成分布均勻。然而在實(shí)際上，粉體中的成分分布往往存在局部的不均勻，使某些區(qū)域的成分配比偏離化學(xué)計(jì)量。這樣的粉體有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致陶瓷性能的下降。比如鈦酸鋇粉料，當(dāng)鈦和鋇不均勻時(shí)，某些地方鋇離子過量，就有可能形成具有吸潮性的Ba2TiO4，導(dǎo)致瓷片膨脹并開裂。

顆粒大小也是如此。粒度細(xì)固然重要，但如果僅僅是平均粒度細(xì)，而分布不均勻，或者是分布很寬，則對(duì)陶瓷的燒結(jié)極為不利。因?yàn)榇笮〔煌念w粒，燒結(jié)的速度不一樣，顆粒較粗的區(qū)域不容易致密，同時(shí)粗顆粒還可能成為異常晶粒長(zhǎng)大的核。最后陶瓷不僅需要在更高溫度下完成致密化，而且顯微結(jié)構(gòu)不均勻，嚴(yán)重影響到其性能。所以，一般對(duì)于粉體顆粒度的要求是細(xì)而且分布窄，同時(shí)還要具備分散性好等特性，避免團(tuán)聚等現(xiàn)象的發(fā)生造成對(duì)燒結(jié)性能的不利影響，最好還都是球形顆粒，像一堆微小的乒乓球，以保證有良好的流動(dòng)性。

小結(jié)

在實(shí)際操作中，不同材料、不同燒結(jié)方法的燒結(jié)原理以及成型工藝還存在差異，對(duì)粉體各項(xiàng)指標(biāo)又有一些特殊的要求，這里不再贅述。以上是對(duì)陶瓷粉體的一般性要求，但即便如此，能同時(shí)滿足以上所有要求，便足以稱之為“高質(zhì)量粉體”、“理想粉體”了。

此外，加強(qiáng)研發(fā)和創(chuàng)新也是提高陶瓷粉體品質(zhì)的關(guān)鍵。通過與材料科學(xué)家和工程師的緊密合作，不斷改進(jìn)制備工藝，開發(fā)新型陶瓷粉體，以滿足不同行業(yè)的需求。