Unter den Oxiden mit einem Schmelzpunkt von über 2000°C ist Aluminiumoxidkeramik das flexibelste und günstigste Material. Aluminiumoxidkeramik ist ein Keramikmaterial mit Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) als Hauptkörper. Aluminiumoxidkeramiken haben eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Härte, einen geringen dielektrischen Hochfrequenzverlust und werden aufgrund ihrer breiten Rohstoffquelle, relativ günstigen Preise und ausgereifter Verarbeitungstechnologie häufig in Elektronik, Elektrogeräten, Maschinen, Textilien und Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche.
Dies begründete auch seine hohe Position im Bereich der keramischen Werkstoffe. Es wird berichtet, dass Aluminiumoxidkeramiken derzeit die größte Menge an oxidkeramischen Materialien in der Welt darstellen. In diesem Artikel gibt Ihnen der Redakteur von Xianji.com eine ausführliche Einführung in die Werkstoffe aus Aluminiumoxid-Keramik.
Die Struktur von Aluminiumoxid-Keramik gehört zum Korund-Typ, der die Eigenschaften ionischer Bindungen aufweist, wodurch das Gleitsystem weitaus geringer ist als das von Metall, was zu einem Mangel an bestimmter Zähigkeit und Plastizität führt. Daher ist die gezeigte Bruchzähigkeit gering, was die breite Anwendung von Aluminiumoxidkeramiken stark einschränkt. Was sind also die wichtigsten Verfahren zum Vorspannen von Aluminiumoxidkeramiken?
1. Vorspannen der Schichtstruktur
Natürliche Materialien wie Bambus, Muscheln usw. weisen eine gute Gesamtleistung auf, da ihre Struktur in Schichten verteilt ist. Menschen lassen sich von diesen natürlichen Strukturen inspirieren und nutzen bionische Strukturen, um die Sprödigkeit und Zähigkeit keramischer Werkstoffe zu verbessern.
Das geschichtete Verbundkeramikmaterial besteht aus mehreren Materialschichten. Der Elastizitätsmodul und der lineare Ausdehnungskoeffizient jeder Schicht sind unterschiedlich, was wiederum makroskopische Spannungen zwischen den Schichten und Druckspannungen an der Oberfläche verursacht. Bei äußerer Krafteinwirkung kann die Dehnungsenergie maximal absorbiert werden und der Riss kann entlang der Grenzfläche wiederholt abgelenkt und gebogen werden. Um den Zweck der Verbesserung der Oberflächeneigenschaften und der Gesamtzähigkeit zu erreichen.
Zum Beispiel: Aluminiumoxid/Ni-Schichtkeramik, der lineare Ausdehnungskoeffizient von Nickel ist ungefähr) mal so groß wie der von Aluminiumoxid, was Spannungen in der Aluminiumoxidschicht erzeugt und eine große Rissbiegefähigkeit aufweist, so dass das Material eine bessere Zähigkeit hat.
Schichtkeramiken sind ein neuer Materialtyp mit breiten Perspektiven, aber der Hauptnachteil besteht darin, dass eine schwache Zwischenschicht die Festigkeit des Materials verringert und die Eigenschaften parallel und senkrecht zur Zwischenschicht sehr unterschiedlich sind und Anisotropie aufweisen. Daher haben Experten in der Industrie die Idee der Verwendung einer starken Zwischenschicht zur Herstellung einer starken ZTA/Aluminiumoxid-Zwischenschicht mit einer Schlagzähigkeit von mehr als 10 MPa.m1/2 vorgeschlagen, was 2.8-mal höher ist als bei ZTA-Materialien und 5.6-mal höher als Aluminiumoxid-Keramik. Einige Wissenschaftler haben geschichtete Verbundkeramiken mit Computern simuliert und festgestellt, dass bei einer zu hohen oder zu niedrigen Festigkeit des Materials der weichen Schicht die Gesamtzähigkeit verringert wird und das Verhältnis der Dicke der harten Schicht und der weichen Schicht zu der Elastizitätsmodul wird erhöht und die Gleichmäßigkeit der harten Schicht wird gleichmäßig. Kann die Zähigkeit von Keramik verbessern. Dies liefert bestimmte Forschungsideen und Optimierungsmethoden für geschichtete vorgespannte Keramiken.
2. Faserverbund-Vorspannen
Studien haben gezeigt, dass die Zähigkeitseffizienz von Endlosfasern auf Keramik höher ist als bei anderen Zähigkeitsverfahren, und es ist die höchste Zähigkeit, die Keramikserien bisher erreichen können, die etwa 20 MPa.m1/2 erreichen kann, also ist dies ein sehr effektiver Weg um die Sprödigkeit keramischer Werkstoffe zu verbessern.
Dieses Verfahren dispergiert Fasern mit höherer Festigkeit und höherem Elastizitätsmodul in einer keramischen Matrix. Bei äußerer Krafteinwirkung wird ein Teil der Belastung des Verbundmaterials von der Faser getragen, um die Belastung der Matrix selbst zu reduzieren. Außerdem, wenn die Faser in der Matrix bricht, wenn die Lager Wenn die Kraft größer ist als ihre Festigkeit, hat die Faser einen Ausziehmechanismus. Darüber hinaus weisen diese Fasern auch Rissbrücken und Durchbiegungen in der Matrix auf, um eine Rissausbreitung zu verhindern. Diese drei Vorspannmechanismen arbeiten zusammen, um die Zähigkeit von keramischen Materialien stark zu verbessern.
Gegenwärtig umfassen die für Aluminiumoxidkeramiken verwendeten Fasern hauptsächlich Kohlefasern, Siliziumkarbidfasern, Aluminiumsilikatfasern und so weiter. Studien haben ergeben, dass eine Erhöhung des Längen-zu-Durchmesser-Verhältnisses der Faser den Zähigkeitseffekt verbessern kann. In Form der Faserverwendung hat das dreidimensionale Geflecht mit Faser eine bessere Zähigkeitswirkung. Ähnlich wie bei Fasern gibt es mehr Whiskers, um Aluminiumoxidporzellan zu härten, und die Wirkung ist auch sehr gut. Denn Whisker sind kurze Fasern mit einer Einkristallstruktur und einem sehr kleinen Durchmesser (normalerweise weniger als 3 µm). Es hat wenige Kristalldefekte, eine hochgeordnete Atomanordnung und seine Stärke liegt nahe dem theoretischen Wert der Bindungskraft zwischen benachbarten Atomen. Theorie und Praxis haben bewiesen, dass die Anwendung beim Härten von Keramik einen gewissen Einfluss auf die Verbesserung der Zähigkeit hat. Wenn Siliziumkarbidwhisker (Volumenanteil bis zu 20–30 %) in Keramiken auf Aluminiumoxidbasis eingebracht werden, kann die Segmentzähigkeit 8–8.5 MPa.m1/2 erreichen.
Neben den Mechanismen der Whisker-Zähigkeit, wie Pull-out, Rissverformung, Rissüberbrückung und Pinning, ist auch die eigene hohe Festigkeit ein Grund. Daher kann theoretisch die Erhöhung der Festigkeit des Whiskers, die Verringerung seines Elastizitätsmoduls und die Erhöhung des Aspektverhältnisses die Zähigkeitswirkung verbessern. Der Nachteil von faser- und kristallgehärtetem Aluminiumoxidporzellan besteht darin, dass es schwierig ist, die Gleichmäßigkeit des Mischens sicherzustellen.
3, selbsthärtend
Die sogenannte Selbsthärtung bezeichnet das Wachstum von gehärteten und verstärkten Phasen unter bestimmten technologischen Bedingungen. Es beseitigt bis zu einem gewissen Grad die physikalische oder chemische Unverträglichkeit zwischen der Matrixphase und der Vorspannphase und gewährleistet die thermodynamische Stabilität der Matrixphase und der Vorspannphase.
Für Aluminiumoxidkeramiken ist anisotrop gewachsene Körner aus gehärtetem Aluminiumoxid zu einem Forschungsschwerpunkt bei der Überwindung der Sprödigkeit von Aluminiumoxidkeramiken geworden. Der Hauptmechanismus besteht darin, die Wachstumsrichtung von Aluminiumoxid-Kristallkörnern durch technologische Maßnahmen so zu steuern, dass sie entlang bestimmter Kristallebenen zu Stäbchen und langen Säulen wachsen, was eine ähnlich wie Whisker härtende Wirkung hat. Bei äußerer Belastung tritt am Rissende eine Überbrückung auf; und dieses anisotrop gewachsene Aluminiumoxid erzeugt auch Zähigkeitsmechanismen wie Herausziehen und Rissdurchbiegung, was die Zähigkeit der gesamten Aluminiumoxidkeramik verbessert.
4, Phasenwechselhärtung
Dies ist eine abhärtende Formel, die relativ früh und häufig untersucht wurde. Es erzeugt künstlich eine große Anzahl sehr feiner Risse im Material, um Energie zu absorbieren und die Rissausbreitung zu verhindern. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der martensitischen Umwandlung von ZrO2 und den erfolgreicheren keramischen Werkstoffen wie ZTA und ZTM. ZrO2 ist in der Aluminiumoxidmatrix dispergiert. Aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der beiden werden die ZrO2-Partikel beim Abkühlen einer Druckspannung ausgesetzt und der Phasenwechsel wird behindert. Wenn das Material dann einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, wird der Druck auf die ZrO2-Partikel entspannt, die tetragonale Phase geht in eine monokline Phase über und es werden Mikrorisse in der Matrix nach Volumenexpansion erzeugt, und die Energie des Hauptrisses ist absorbiert, um die härtende Wirkung zu erzielen. Dies ist der spannungsinduzierte Phasenumwandlungs-Zähigkeitsmechanismus.
Beim Zähigkeitsmechanismus erzeugt der Phasenübergang zusätzlich zum induzierten Phasenübergangsmechanismus von ZrO2 eine Volumenausdehnung, und das Phänomen des Quetschens vom Rissbereich in den Nicht-Phasenübergangsbereich macht den Riss geschlossen, erschwert die Ausbreitung und kann auch die Zähigkeit verbessern. Einige Forscher verwendeten ZrO2 mit einem Volumenanteil von 10 bis 30 % zur Herstellung von ZTA-Keramik und stellten fest, dass bei einem Volumenanteil von ZrO2 von 20 % die Zähigkeitswirkung am besten war.
Die keramische Vorspanntechnik wird auch in Zukunft noch lange eine heiße Technologie in der Werkstoffindustrie sein. Wenn die inhärente hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, der niedrige Ausdehnungskoeffizient und andere Eigenschaften von keramischen Werkstoffen mit einer hohen Zähigkeit kombiniert werden können, wird es ein von der Werkstoffindustrie begehrter Hochleistungswerkstoff sein, der in einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt wird Felder. Hier ist eine kurze Einführung in einige Anwendungen von Aluminiumoxidkeramiken.
(1) Mechanische Aspekte
Die Biegefestigkeit von gesinterten Produkten aus Aluminiumoxidkeramik kann 250 MPa erreichen, und die heißgepressten Produkte können 500 MPa erreichen. Die Mohs-Härte von Aluminiumoxidkeramik kann 9 erreichen sowie eine hervorragende Verschleißfestigkeit, daher wird sie häufig bei der Herstellung von Werkzeugen verwendet Ventils, Schleifscheiben, Keramiknägel, Lager usw., darunter Aluminiumoxid-Keramikwerkzeuge und Industrie Ventils werden am breitesten verwendet.
Aluminiumoxid-Keramikwerkzeug
Die optimale Schnittgeschwindigkeit von Aluminiumoxid-Keramikwerkzeugen ist höher als die von gewöhnlichen Hartmetallwerkzeugen, was die Schneidleistung verschiedener Materialien erheblich verbessern kann. Mit viel Forschung von Wissenschaftlern werden andere Komponenten hinzugefügt, um zwei Phasen zu bilden oder in Form einer festen Lösung in Verbundkeramiken auf Aluminiumoxidbasis und Whisker-verstärkten Keramiken zu existieren. Diese Technologien gleichen die Unzulänglichkeiten von reiner Aluminiumoxidkeramik aus und verbessern dadurch ihre Schneidleistung und Haltbarkeit.
(2) Elektronik/Elektrizität
In Bezug auf Elektronik und Elektrizität gibt es verschiedene Grundplatten aus Aluminiumoxidkeramik, Substrate, Keramikmembranen, transparente Keramiken und verschiedene elektrisch isolierende Aluminiumoxidkeramiken, elektronische Materialien, magnetische Materialien usw., unter denen transparente Aluminiumoxidkeramiken und -substrate verwendet werden am breitesten.
Transparente Keramik aus Aluminiumoxid
Gegenwärtig ist transparente Keramik ein wichtiger Vorreiter in der Erforschung und Anwendung von Materialien. Als neues Material hat transparente Keramik neben ihrem breiten Lichtdurchlässigkeitsbereich auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Härte, eine hohe Festigkeit, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen Dielektrizitätsverlust, eine Verschleißfestigkeit und eine Korrosionsbeständigkeit Eine Reihe von Vorteilen wie guter Sex.
Aluminiumoxid-Keramiksubstrat
Aluminiumoxid-Keramiksubstrate haben ausgezeichnete Eigenschaften, wie hohe mechanische Festigkeit, gute Isolierung und hohe Lichtbeständigkeit, und werden in weitem Umfang in mehrschichtigen keramischen Verdrahtungssubstraten, elektronischen Gehäusen und hochdichten Verpackungssubstraten verwendet.
(3) Chemische Industrie
In chemischen Anwendungen haben Aluminiumoxidkeramiken auch ein breites Anwendungsspektrum, wie z. B. chemische Füllkugeln aus Aluminiumoxidkeramik, anorganische Mikrofiltrationsmembranen und korrosionsbeständige Beschichtungen. Unter diesen wurden am häufigsten keramische Membranen und Beschichtungen aus Aluminiumoxid untersucht und angewendet.
(4) Medizinische Aspekte
In der Medizin wird Aluminiumoxid eher zur Herstellung von künstlichen Knochen, künstlichen Gelenken, künstlichen Zähnen usw. verwendet. Aluminiumoxidkeramiken zeichnen sich durch hervorragende Biokompatibilität, biologische Inertheit, physikalische und chemische Stabilität, hohe Härte und hohe Verschleißfestigkeit aus und sind ideale Materialien für die Präparation von künstlichen Knochen und künstlichen Gelenken. Es weist jedoch die gleichen Mängel wie andere keramische Materialien auf, wie z. B. hohe Sprödigkeit, geringe Bruchzähigkeit, hohe Schwierigkeit der Bearbeitungstechnologie und komplexe Technologie, sodass weitere Forschung und Anwendung erforderlich sind.
(5) Architektur/Sanitär/Keramik
Im Sanitärkeramikbau sind Produkte wie Tonerde-Keramik-Auskleidungssteine, Mahlkörper, Walzen, Keramik-Schutzrohre und Tonerde-Feuerfestmaterialien überall zu sehen. Unter diesen werden Aluminiumoxid-Kugelmahlmedien am häufigsten verwendet.
Der Reiz der Materialwissenschaft besteht darin, aus den Stärken des anderen zu lernen und ideale Materialien zu schaffen. Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen werden Aluminiumoxidkeramiken auch in anderen High-Tech-Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Hochtemperatur-Industrieöfen, Verbundverstärkung und anderen Bereichen weit verbreitet verwendet. Bei der kontinuierlichen Entwicklung der Vorspanntechnologie werden Aluminiumoxid-Keramikmaterialien sicherlich eine bessere Leistung aufweisen und das Anwendungsgebiet wird breiter.
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