在氧化铝陶瓷中掺杂TiO2是一种常见的做法。TiO2掺杂对氧化铝陶瓷的影响是多方面的，大体可分为两个方面，一方面是对其烧结的影响，另一方面是对其性能的影响。

　　今天我们聊一下TiO2掺杂对氧化铝陶瓷致密化的影响。

　　在烧结理论中，TiO2掺杂对氧化铝陶瓷烧结的影响是一个十分经典的例子。在如今《无机材料物理化学》或《无机材料科学基础》之类的书中，只要有介绍陶瓷烧结章节，差不多都要提到这个例子。一般说过，当掺杂量适当的时候，TiO2掺杂对于氧化铝陶瓷的烧结会起到较明显的促进作用。其原因有三个方面：

　　一、Ti4+离子能固溶到氧化铝晶格中，晶格畸变而活化。α-Al2O3属六方晶系，氧离子形成六方最紧密堆积，铝离子分布在八面体空隙中，晶格常数a=0.4759nm；金红石TiO2晶体属四方晶系，氧离子形成稍变形的六角密集，钛离子也处于八面体空隙中，晶格常数a=0.459nm。二者的晶格常数数值相近。同时，六配位 Al3+的离子半径为0.061nm，六配位 Ti4+的离子半径为0.069nm，二者也比较接近，所以能形成置换型固溶体。但由于Ti4+离子和Al3+离子的半径有所差别，因此固溶后会导致氧化铝晶格畸变而活化。

　　二、由于Ti4+与Al3+电价不同，因此固溶后会在氧化铝晶粒中产生大量空位。其缺陷方程可表示如下：

　　大量正离子空位的形成，一方面会使氧化铝的晶格产生更大的畸变，烧结活性进一步提高。另一方面，空位扩散系数也会大幅度提高，加速烧结时传质的进行。

　　三、在高温烧结时，由于炉膛温度呈弱还原性，Ti4+可能转变成Ti3+，使离子半径由 0.069nm 增大到0.075nm。这也会使氧化铝的晶格畸变为严重，烧结活性变得更高。

　　有意思的是，TiO2这种促进烧结的作用，不仅表现在其“单掺”的时候。即便和其它物质一起“共掺”，其促进烧结的作用也能表现出来。比如，有人采用MgO和TiO2一起对氧化铝陶瓷进行掺杂，掺杂总量保持在1%。结果发现，随着TiO2比例的提高，同一温度下烧结密度也较高。还有研究表明，在液相烧结的条件下，TiO2的促烧作用也很明显。比如，有人用CuO-TiO2共掺的方法低温烧结氧化铝陶瓷。虽然CuO-TiO2本身会形成低共溶物促进致密化，但随着TiO2比例的提高，配比远离低共熔点时，氧化铝陶瓷的烧结密度却更高。更有意思的是，这种促进烧结的作用也不仅对氧化铝单相陶瓷有效，即使是对氧化铝基的复相陶瓷同样有效。比如，有人在Al2O3-ZrO2复相陶瓷中加入1%TiO2，1400℃下烧结密度从未添加时的97.5%提高到99%以上。

　　当然，在氧化铝陶瓷中实际掺杂TiO2时，还要考虑很多因素。比如，掺杂量的控制就十分重要。由于刚玉和金红石晶体结构不同，因此Ti4+离子只能在氧化铝晶格中形成有限固溶体。有人认为，当TiO2掺杂掺量大于其在氧化铝中的固溶度时，对于促烧并没有过多的好处。相反，当掺杂量过高时，有可能出现晶粒生长或异常晶粒长大等现象，也有可能会出现第二相，这都会导致氧化铝陶瓷密度下降。另外，TiO2的颗粒大小以及氧化铝粉体颗粒本身大小也会对促烧作用有明显影响。比如，有人发现，细晶粒的纳米TiO2往往比微米级的TiO2往往更有利于氧化铝陶瓷的烧结。还有人研究发现，当氧化铝的粒径< 1μm时，随氧化钛含量增加，烧结机制从晶界扩散转向体扩散；当粒径介于 1-2μm 之间时，晶界扩散同体扩散同时共存。当粒径更大时，晶界扩散为主要扩散机制。

　　值得说明的是，虽然有文献报道过多的TiO2的掺杂对氧化铝的烧结不一定有利，但实际上我们还是能见到不少掺杂较多TiO2的例子。此时考虑的重点往往不是促进烧结，而是改善其性能。比如，当制备氧化铝微波介质陶瓷时，为了调节其频率温度系数，TiO2的掺杂量会比较大（~8%），此时主要考虑的就是要将氧化铝陶瓷的频率温度系数τf控制在0ppm/℃附近。更多资讯请关注李卫聊科技哦！