氧化铝陶瓷因其高硬度（通常可达莫氏硬度9级）、耐磨性、耐腐蚀性及好的绝缘性能（体积电阻率>10¹⁴ Ω·m），被广泛应用于机械密封件、电子集成电路基板、化工阀门及生物人工关节等领域。然而，制备过程中产生的气孔——即使是体积分数仅为2%的闭气孔——也会使材料的抗弯强度降低约20%，并显著影响其介电强度和耐腐蚀性。本文旨在系统分析氧化铝陶瓷气孔产生的主要机理，并从原料处理、成型工艺、烧结制度及添加剂使用等多个维度，结合具体实验数据和实际案例，深入探讨一系列行之有效的致密化措施，为实现气孔率低于0.5%的高性能氧化铝陶瓷制备提供理论依据与工艺指导。

　　1  问题背景与痛点呈现

　　随着高 端装备制造业向高精度、高可靠性方向发展，对结构陶瓷的性能要求日益严苛。以氧化铝陶瓷为例，当其用于高速轴承或高压绝缘件时，内部存在的微米/亚微米级气孔将成为材料的“阿喀琉斯之踵”。研究表明，当气孔率从0.5%增加到5%时，材料的抗弯强度可从380 MPa急剧下降至240 MPa左右。这些气孔在应力场中作为应力集中点，极易引发微裂纹扩展；在电场中则导致局部场强畸变，使绝缘耐压能力下降30%以上；在酸/碱腐蚀环境中，开放气孔更成为腐蚀介质渗入的快速通道，加速材料失效。因此，实现氧化铝陶瓷的近全致密化（密度≥3.92 g/cm³，理论密度为3.98 g/cm³）已成为突破其性能瓶颈的关键。

　　2  制备流程与气孔产生情景分析

　　以一个典型的99%氧化铝陶瓷基板制备流程为例：首先将平均粒径为0.5 μm的氧化铝粉末与聚乙烯醇粘结剂、甘油塑化剂及蒸馏水通过行星式球磨（转速300 rpm，时长4 h）制成固含量为75 wt%的均匀浆料。随后采用流延成型法形成0.5 mm厚生坯带，或在100 MPa下干压成型为圆片素坯。最后生坯在空气气氛烧结炉中以2℃/min升温至600℃排除粘结剂，再以5℃/min升至1650℃保温2 h完成烧结。

　　在这一流程中，气孔几乎在每个阶段都可能被引入：

　　原料阶段：若使用粒径分布宽（如0.1–10 μm）或存在硬团聚的粉体，素坯中会形成大量 inter-particle 空隙，初始密度可能低于理论值的50%。

　　成型阶段：在干压成型中，若压力施加不均匀（如单向压制），生坯不同区域密度差异可达10%以上，低压区残留大量开气孔；流延成型中若浆料流平性差或脱泡不充分，则会裹入数十微米级的气泡。

　　烧结阶段：快速升温（如>10℃/min）会使粘结剂剧烈分解，形成网状气孔通道；若最高温度不足（如<1600℃），则表面扩散主导的物质迁移无法有效消除小气孔；而过高的温度或过长的保温时间（如>1800℃或5 h）又会导致晶粒异常长大，包裹气孔形成闭孔。

　　3  致密化综合解决方案与技术措施

　　3.1  原料粉体优化与预处理

　　采用化学共沉淀法合成的亚微米氧化铝粉体（平均粒径0.2 μm，比表面积8 m²/g），其烧结活性显著高于传统机械粉碎粉体。例如，某研究通过引入0.3 wt%的油酸作为分散剂，配合氧化锆球磨介质湿法球磨12 h，成功将粉体团聚尺寸从3 μm降低至0.5 μm以下，使干压生坯密度从1.85 g/cm³提高至2.15 g/cm³。

　　3.2  成型工艺精准调控

　　等静压成型：对预压坯体施加200 MPa的冷等静压（CIP），可使生坯密度提高至理论值的60%以上，且密度分布均匀性误差<1%。

　　注塑与流延成型：采用多组分粘结剂体系（如PW+PE+SA），并通过两步脱脂工艺：先以0.5℃/min升至400℃去除低分子量组分，再以1℃/min升至600℃去除残余聚合物，可避免气孔和裂纹产生。

　　3.3  烧结制度设计与先进烧结技术

　　气氛压力辅助烧结：采用热等静压（HIP）后处理（1400℃，100 MPa Ar气），可将残余气孔率从常规烧结的1.5%降至0.1%以下。例如，某企业通过HIP处理氧化陶瓷轴承球，其疲劳寿命提升至未处理件的3倍。

　　放电等离子烧结（SPS）：在1500℃、50 MPa压力下保温5 min，即可实现>99.5%的相对密度，且晶粒尺寸保持在1 μm以内，有效抑制气孔被晶界包裹。

　　分段烧结曲线优化：实验表明，在600–1200℃区间采用1℃/min慢速升温有利于有机物分解与排气；在1200–1550℃采用5℃/min加速扩散；1550℃以上采用0.5℃/min慢速升温促进气孔排出，最终气孔率可降低至0.8%。

　　3.4  烧结助剂的科学选用

　　添加0.5 wt% MgO可抑制晶界迁移，防止气孔被困；而加入1–3 wt%的SiO₂+MgO组合可在晶界处形成镁铝硅酸盐液相，通过液相烧结机制在较低温度（1500–1550℃）实现致密化。例如，某研究通过添加1% TiO₂，使氧化铝烧结温度降低约100℃，密度仍达到3.90 g/cm³。

　　3.5  烧结氛围控制

　　在氢气气氛中烧结可还原Al₂O₃表面的氧化物杂质，促进晶界迁移；真空烧结（10⁻³ Pa）则有利于残留气体的排出，特别适用于厚度大于20 mm的大尺寸制品。

　　4  总结与展望

　　降低氧化铝陶瓷气孔率是一项多因素耦合的系统工程。实践证明，仅优化单一工艺效果有限，必须采用“粉体预处理+成型均化+烧结强化+添加剂协同”的全链条策略：

　　选高活性纳米/亚微米粉体并改善其分散性；

　　通过CIP或优化流延工艺提高生坯均匀性；

　　依据产品形状与性能要求选择SPS/HIP或精密调控的无压烧结；

　　合理引入MgO、稀土氧化物等助剂以形成活化晶界或过渡液相；

　　配合还原或真空氛围抑制闭孔形成。

　　通过上述综合措施，可制备出气孔率低于0.5%、三点抗弯强度超过400 MPa的高可靠性氧化铝陶瓷，满足半导体装备、航空航天等领域对高性能陶瓷的迫切需求。（更多详情请关注先进材料应用公众号哦！）