Puikiomis visapusiškomis savybėmis pasižyminti aliuminio oksido keramika užima nepakeičiamą vietą šiuolaikinėje pramonėje. Jie gali tarnauti kaip "skeletas" gaminant integrinių grandynų substratus arba kaip "šarvai", apsaugantys įrangą nuo didelio susidėvėjimo. Tačiau bet kuriai didelio našumo{2}}medžiagai keliami griežti proceso reikalavimai. Faktiniame aliuminio oksido keramikos gamybos procese poros ir mikrostruktūros įtrūkimai nuolat kelia didelį iššūkį gamybos technikai. Poros tampa įtempių koncentracijos taškais, kurie žymiai sumažina medžiagos mechaninį stiprumą ir skilimo lauko stiprumą. Kita vertus, įtrūkimai tiesiogiai sutrikdo medžiagos tęstinumą, todėl sukepinimo metu gaminys lieka laužas arba staigus gedimas eksploatacijos metu. Todėl norint pagerinti aliuminio oksido keramikos kokybę, labai svarbu nuodugniai išanalizuoti šių defektų priežastis ir suformuluoti veiksmingas šalinimo strategijas.
Porų atsiradimo priežastys
Poros yra sukepintame kūne likusios tuštumos, atsirandančios iš įvairių šaltinių, pirmiausia skirstomos į šias kategorijas:
Likutinės tarpdalelių tuštumos: tai atsiranda dėl problemų žaliavos paruošimo ir formavimo etapuose. Jei milteliai susideda iš vieno dydžio dalelių arba turi per platų dalelių dydžio pasiskirstymą, pakavimo metu lengvai atsiranda „tiltų“ reiškinių, dėl kurių žaliajame korpuse susidaro daug netaisyklingų, tarpusavyje susijusių porų. Sauso spaudimo metu netolygus presavimo slėgis gali sukelti tankio gradientus, todėl žemo slėgio zonose susidaro didelis poringumas.
Gamyba iš lakiųjų/skilusių priemaišų: jei žaliavose yra priemaišų, tokių kaip karbonatai, sulfatai, organinės medžiagos arba adsorbuotas vanduo, kaitinant jos suyra arba išgaruos, išskirdamos tokias dujas kaip CO₂, SO₂ ir H2O. Jei kaitinimo greitis yra per greitas, šios dujos gali laiku nepabėgti, kauptis žaliame kūne ir sudaryti poras ar net pūsles.
Antrinės rekristalizacijos įstrigusios poros: įprastas sukepinimo procesas pašalina poras per grūdelių ribų judėjimą. Tačiau kai keli grūdai nenormaliai auga (antrinė rekristalizacija), jie gali pasiglemžti aplinkinius mažus grūdelius ir sulaikyti poras, kurios iš pradžių buvo paskirstytos pagal grūdų ribas grūdų viduje. Kai poros įstringa grūdų viduje, jos praranda prieigą prie greito difuzijos kelio, kurį suteikia grūdų ribos, todėl jas labai sunku pašalinti vėliau sukepinant, todėl poros užsidaro.
Nepakankama dalelių difuzija: sukepinimo metu tarpdalelių medžiagų difuzija yra labai svarbi norint pasiekti tankinimą. Jei sukepinimo temperatūra yra per žema, atomų difuzijos greitis sulėtėja, o sukepinimo kakleliai tarp dalelių iki galo neišsivysto. Net jei įvedamos sukepinimo priemonės, skatinančios skystosios fazės sukepinimą, nepakankamas skystosios fazės susidarymas arba pernelyg didelis klampumas / prastas sklandumas neleidžia skystajai fazei veiksmingai sudrėkinti dalelių sąsajų ir užpildyti poras, todėl medžiagoje lieka porų.
Įtrūkimų priežastys
Palyginti su tuo,{0}}kaip porų pasiskirstymas, įtrūkimai yra linijiniai lūžiai, dažnai atsirandantys dėl įtempių koncentracijos sukepinimo metu. Kai lokalizuotas vidinis įtempis viršija ribinį medžiagos stiprumą toje būsenoje, atsiranda ir plinta įtrūkimai, galiausiai sukeldami gaminio gedimą. Šie įtempimai pirmiausia atsiranda dėl:
Šiluminis įtempis: greito šildymo ar aušinimo metu tarp žaliojo kūno vidaus ir paviršiaus arba tarp storų ir plonų dalių susidaro dideli temperatūros gradientai. Dėl šio temperatūrų skirtumo sukeltas nenuoseklus šiluminis plėtimasis arba susitraukimas sukelia didelį šiluminį įtempį, dėl kurio kūnas deformuojasi arba įtrūksta.
Fazinės transformacijos įtempis: nors pati fazinė transformacija aliuminio okside yra gana paprasta (pirmiausia -Al₂O3), jei žaliavose yra kitų priedų ar priemaišų, sukepinimo metu gali įvykti polimorfinės transformacijos. Tūrio efektas (išsiplėtimas arba susitraukimas), susijęs su fazės transformacija, jei vyksta standžioje sistemoje, gali kaupti vidinį įtampą ir sukelti mikroįtrūkimus.
Tamprus vidinis įtempis: Sauso presavimo metu, jei trinties jėga nuo formos sienelės yra per didelė arba jei presavimo būdas yra netinkamas (pvz., vienaašis presavimas), žaliame korpuse sukauptas elastingas vidinis įtempis gali akimirksniu atsikratyti, todėl plokštumose, statmenose presavimo krypčiai, atsiranda lygiagrečių įtrūkimų, vadinamų sluoksniuotais arba sluoksnių įtrūkimais.
Nehomogeniškas miltelių pasiskirstymas ir priemaišų atskyrimas: jei miltelių mišinys yra netolygus arba nusėda liejant srutomis, sukepinimo metu skirtingose žaliavos dalyse susitraukimo greitis yra nenuoseklus. Didesnio susitraukimo regionai patiria tempimo įtempį iš regionų, kuriuose susitraukimas mažesnis. Kai šis tempiamasis įtempis viršija medžiagos ribinį stiprumą, atsiranda įtrūkimai. Be to, priemaišų atsiskyrimas ties grūdelių ribomis susilpnina grūdų ribos sukibimo stiprumą ir yra įtrūkimų atsiradimo šaltinis.
Pagrindiniai valdymo taškai tankinimo procese
Norint gauti aukštos -kokybės aliuminio oksido keramiką su dideliu tankiu ir minimaliais defektais, labai svarbu kruopščiai kontroliuoti visą procesą-nuo miltelių apdorojimo ir formavimo iki sukepinimo grafikų-.
1. Pudros charakteristikų optimizavimas ir žalio kūno formavimas
Didelio grynumo, itin smulkūs milteliai ir dalelių dydžio klasifikavimas: naudokite didelio{0}}grynumo, itin smulkius (netgi nano-skalės) aliuminio oksido miltelius, kad padidintumėte sukepinimo varomąją jėgą. Naudokite pagrįstą dalelių dydžio klasifikaciją (sumaišykite stambias ir smulkias daleles), kad mažos dalelės užpildytų tuštumas, susidariusias dėl didelių dalelių susikaupimo, padidinant žaliojo kūno sandarumo tankį ir sumažinant pradines dideles poras.
Granuliavimas ir homogenizavimas: naudokite purškiamojo džiovinimo granules, kad smulkius miltelius paverstumėte sferinėmis granulėmis, turinčiomis gerą takumą ir vienodą dalelių dydžio pasiskirstymą, užtikrinant vienodą užpildymą sauso spaudimo arba izostatinio presavimo metu. Slydimo liejimo metu kontroliuokite srutų reologiją, pH vertę ir kietųjų medžiagų kiekį, kad išvengtumėte dalelių nusėdimo ir atsiskyrimo.
Pažangūs formavimo būdai: naudokite šalto izostatinio presavimo (CIP) technologiją, kuri taiko vienodą spaudimą iš visų pusių, žymiai pagerindama žaliojo kūno tankį ir vienodumą, iš esmės sumažindama laminavimo ir tankio svyravimų riziką.
2. Tikslus sukepinimo režimas
Temperatūros kontrolė yra esminis keramikos tankinimo veiksnys, įtakojantis ne tik sukepinimo varomąją jėgą, bet ir kiekvieną etapą nuo rišiklio perdegimo iki grūdų augimo.
Kontroliuojamas kaitinimo greitis: rišiklio perdegimo stadijoje organinių priedų (rišiklių, plastifikatorių) ir lakiųjų priemaišų kaitinimas turi būti lėtas, laikantis kritinės temperatūros. Tai leidžia dujoms pakankamai laiko išeiti pro kapiliarų poras, todėl išvengiama pūslių susidarymo ir įtrūkimų. Sukepinimo etape taip pat atitinkamai sumažinkite kaitinimo greitį, kad išvengtumėte grūdų ribos migracijos, viršijančios porų migraciją, ir neleiskite poroms įstrigti grūduose.
Sukepinimo temperatūros kontrolė: sukepinimo etape optimizuokite sukepinimo temperatūrą ir laikymo laiką, eksperimentuodami nustatydami geriausius parametrus (paprastai nuo 1600 laipsnių iki 1750 laipsnių). Taip išvengiama nepilno tankinimo dėl žemos temperatūros arba nenormalaus grūdų augimo ir porų įstrigimo dėl per didelės temperatūros. Be to, naudokite sukepinimo priemones arba žemos temperatūros sukepinimo metodus, pvz., karšto presavimo sukepinimą, kibirkštinį plazminį sukepinimą arba mikrobangų sukepinimą, kad sutankintumėte žemesnėje temperatūroje.
Streso valdymas aušinimo metu: aušinimo stadijoje po sukepinimo, ypač kai praeina fazių transformacijos temperatūrų intervalai arba temperatūros intervalai, kuriuose yra stiklinės fazės, griežtai kontroliuokite aušinimo greitį. Naudojant lėtą aušinimą arba{1}}laipsnišką aušinimą su išlaikymo laikotarpiais (atkaitinimas) padeda pašalinti arba sušvelninti šiluminį įtampą ir fazės transformacijos įtampą, užkertant kelią mikro įtrūkimų susidarymui aušinimo metu. Didelių ar sudėtingų -formų gaminių atkaitinimas po-sukepinimo žemesnėje už sukepinimo temperatūrą ilgą laiką gali padėti pašalinti liekamuosius vidinius įtempius.