专利名称：一种低温烧结高铝瓷及其制备方法氧化铝含量高的陶瓷是一种以a-Al203为主体原料，以刚玉为主晶相的陶瓷材 料。它具有机械强度大、硬度高、耐磨、耐高温、耐腐蚀、高的电绝缘性与低的介电损 耗等特点，加上生产工艺技术成熟、原料充沛、价格低廉等优点，已经成为目前应用最 广的陶瓷材料，在电子电器、机械、汽车、化工、纺织、冶金、航空、火电、建材、染 料、涂料等行业得到了广泛应用。据不完全统计，我国氧化铝含量在85%以上的高铝瓷 已突破年产量8万吨。然而，氧化铝陶瓷具有较强的离子键，使其熔点高达2050°C，在高温时产生 的液相极少，导致高铝瓷的烧结温度普遍较高。从目前的生产实践来看，氧化铝含量 为85%高铝瓷的烧成温度一般在1500 1550°C，90高铝瓷的烧成温度一般在1550 1600°C, 95高铝瓷的烧成温度在1600 1650°C，99高铝瓷的烧成温度在1750°C以上。 这就使得高铝瓷的制造需要耗费大量的能源和高热值燃料，还需要消耗大量高温烧成的 高级耐火材料和高温发热元件，由此致使高铝瓷的制备成本升高；同时由于过高的烧成 温度，将促使陶瓷晶粒急剧生长、残余气孔聚集长大，从而导致材料的力学性能降低， 不利于陶瓷性能的改善和提高。因此，降低氧化铝陶瓷的烧成温度，是氧化铝陶瓷行业 所关心和急需解决的重要课题。为降低氧化铝陶瓷的烧成温度，目前在生产上主要采用添加低温烧结助剂的方 法。Kwon(JAmCeramSoc，1990，73: 275-278)、Singh(J Am Ceram Soc, 1981，64: 133-136)和 Akira(JAm Ceram Soc，1996，79: 3199-210)等分别在氧化铝粉体中添加 Ca0-Mg0_Si02、Mg0-Al203_Si02、Ca0-Al203_Si02 等玻璃粉体，将氧化铝陶瓷的烧成 温度降低到了 1400 1450°C。李江等(无机材料学报，2003，6 1192-1198)以MgO 和Si02为烧结助剂，在1450°C烧结获得高性能的氧化铝陶瓷。史国普等(济南大学学 报，2007，1: 17-19)通过在氧化铝中添加适量的Ca0-Mg0_Si02*Ti02作为烧结助 剂，在1500°C烧结后获得了相对密度98.71%的高铝瓷。刘于昌等(硅酸盐学报，2006， 6 647-651)通过添加适量的Cu0-Ti02烧结助剂，将氧化铝陶瓷的烧成温度降低到了 1300°C 以下。但在上述添加低温烧结助剂来降低高铝瓷烧成温度的过程中，大量低温烧结助 剂的引入，将对高铝瓷的各项性能产生负面影响；特别是在氧化铝粉体中添加粗大颗粒 的玻璃粉体以及微米级的氧化物助剂，在烧结后将残留大量的第二相分布于氧化铝晶粒 边界，恶化陶瓷的力学性能与功能特性。因此，尽可能在减少低温烧结助剂添加量的基 础上，最大程度地降低氧化铝陶瓷的烧成温度，不仅有利于节省烧结助剂所占用的原材 料成本，还将有利于提高氧化铝陶瓷的各项性能。
本发明的目的是提供一种在少量助剂添加时，能够实现在较低温度下烧结的高 铝瓷及其制备方法。本发明提出的低温烧结高铝瓷，其原材料的重量份数组成为氧化铝粉体 85 99份钛酸四丁酯 0.97 8份硼酸0.01 1份 锰的化合物 0.01 5份铜的化合物 0.01 1份上述的锰的化合物为硝酸锰、醋酸锰和氯化锰中的至少一种。所述的铜的化合 物为硝酸铜、醋酸铜和氯化铜中的至少一种。本发明提出的制备低温烧结高铝瓷的方法，包括下述步骤(1)将钛酸四丁酯溶解于乙酸中，形成0.5 2.0mol/l的钛酸四丁酯的乙酸溶 液；(2)将硼酸、锰的化合物和铜的化合物溶解于乙醇中，形成溶质浓度为0.5 2.0mol/l的混合溶液，然后将溶液的pH值调至4.5 6.0 ；(3)将上述(1)的溶液倒入(2)的溶液中，混合搅拌均勻，然后将氧化铝粉体加 入，放入球磨罐中进行球磨；(4)将上述球磨后的混合物置于80°C 100°C进行干燥，然后在800°C 1100°C 进行煅烧，得到高铝陶瓷粉体；(5)向上述高铝陶瓷粉体中添加聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，混合后进行造粒、 成型、排胶，然后在120(TC 150(TC进行烧结，获得高铝瓷。本发明具有以下有益效果通过钛酸四丁酯的水解-聚合作用，使硼酸、锰 的化合物、铜的化合物以分子级水平均勻混合后包覆在氧化铝粉体颗粒的表面，从而实 现烧结助剂在高铝瓷中的均勻分布；在8oo°c iioo°c进行煅烧后，将获得纳米级的 Ti02、B203、MnO2> CuO粉体颗粒，在陶瓷成型过程中可以填补氧化铝粉体颗粒的间 隙，促进陶瓷素坯密度的提高；在陶瓷烧成过程中，纳米TiO2与MnOdf利用其高活性 固溶入氧化铝晶格中形成空位并促使陶瓷扩散系数的提高，纳米B2O3与CuO将利用其高 比表面能包覆在氧化铝粉体表面形成液相，从而利用纳米颗粒的固相烧结与液相烧结的 协同作用，在少量烧结助剂的添加下，最大程度地降低高铝瓷的烧成温度。下面结合实例对本发明作进一步描述。实施例1 称取8份钛酸四丁酯溶解于乙酸，形成l.Omol/Ι的钛酸四丁酯的乙酸溶液；称取 0.01份硼酸、0.01份硝酸锰和1份硝酸铜溶解于乙醇中，形成溶质浓度为l.Omol/Ι的混合 溶液，并添加0.03份浓度为5%的硝酸将溶液的pH值调至4.5，然后倒入上述钛酸四丁酯 的乙酸溶液。将上述两溶液混合搅拌均勻后，加入91份氧化铝粉体，放入球磨罐中进行 球磨；将上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中进行干燥，然后在900°C进行煅烧，得到高铝陶瓷粉体。向上述高铝陶瓷粉体中添加8份聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混 合后进行造粒，然后在120Mpa的压力下成型，排胶后在1250°C进行烧结，即获得本发明 的低温烧结高铝瓷。采用排水法测试上述高铝瓷的体积密度，结果表明其密度达到了氧 化铝陶瓷理论密度的98.6%。实施例2 称取0.97份钛酸四丁酯溶解于乙酸，形成2.0mol/l的钛酸四丁酯的乙酸溶液； 称取1份硼酸、5份醋酸锰和0.01份醋酸铜溶解于乙醇中，形成溶质浓度为1.5mol/l的混 合溶液，并添加0.04份浓度为5%的硝酸将溶液的pH值调至5.0，然后倒入上述钛酸四丁 酯的乙酸溶液。将上述两溶液混合搅拌均勻后，加入93份氧化铝粉体，放入球磨罐中进 行球磨；将上述球磨后的混合物置于95°C的烘箱中进行干燥，然后在950°C进行煅烧， 得到高铝陶瓷粉体。向上述高铝陶瓷粉体中添加9份聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分 混合后进行造粒，然后在120Mpa的压力下成型，排胶后在1400°C进行烧结，即获得本发 明的低温烧结高铝瓷。采用排水法测试上述高铝瓷的体积密度，结果表明其密度达到了 氧化铝陶瓷理论密度的97.8%。实施例3 称取6份钛酸四丁酯溶解于乙酸，形成1.5mol/l的钛酸四丁酯的乙酸溶液；称取 0.5份硼酸、0.5份氯化锰、0.5份氯化铜溶解于乙醇中，形成溶质浓度为1.2mol/l的混合 溶液，并添加0.01份浓度为5%的硝酸将溶液的pH值调至5.5，然后将钛酸四丁酯的乙酸 溶液倒入。将上述两溶液混合搅拌均勻后，加入92.5份氧化铝粉体，放入球磨罐中进行 球磨；将上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中进行干燥，然后在920°C进行煅烧，得 到高铝陶瓷粉体。向上述高铝陶瓷粉体中添加9份聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，充分混 合后进行造粒，然后在120Mpa的压力下成型，排胶后在1350°C进行烧结，即获得本发明 的低温烧结高铝瓷。采用排水法测试上述高铝瓷的体积密度，结果表明其密度达到了氧 化铝陶瓷理论密度的98.3%。实施例4 称取8份钛酸四丁酯溶解于乙酸，形成l.Omol/1的钛酸四丁酯的乙酸溶液；称取 0.01份硼酸、0.01份硝酸锰、0.01份氯化锰、1份硝酸铜和0.1份氯化铜溶解于乙醇中， 形成溶质浓度为l.Omol/1的混合溶液，并添加0.03份浓度为5%的硝酸将溶液的pH值调 至4.5，然后倒入上述钛酸四丁酯的乙酸溶液。将上述两溶液混合搅拌均勻后，加入91 份氧化铝粉体，放入球磨罐中进行球磨；将上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中进行 干燥，然后在950°C进行煅烧，得到高铝陶瓷粉体。向上述高铝陶瓷粉体中添加8份聚乙 烯醇水溶液作为粘合剂，充分混合后进行造粒，然后在120Mpa的压力下成型，排胶后在 1260°C进行烧结，即获得本发明的低温烧结高铝瓷。采用排水法测试上述高铝瓷的体积 密度，结果表明其密度达到了氧化铝陶瓷理论密度的98.8%。
本发明公开的低温烧结高铝瓷，其原材料的重量份数组成为氧化铝粉体85～99份，钛酸四丁酯0.97～8份，硼酸0.01～1份，锰的化合物0.01～5份，铜的化合物0.01～1份。制备过程如下将钛酸四丁酯溶解于乙酸中，将硼酸、锰的化合物和铜的化合物溶解于乙醇中，然后将合并上述溶液，混合搅拌均匀，加入氧化铝粉体进行球磨；将球磨后的混合物干燥后再煅烧，得到高铝陶瓷粉体；向高铝陶瓷粉体中添加粘合剂，进行造粒、成型、排胶，烧结，即可。本发明的原材料丰富、制备工艺简单，具有良好的工业应用价值。