
1. 源头预防:制备高品质的初始粉体
制备出不易团聚的高质量粉体是降低烧结负面影响的首要步骤。
控制前驱体颗粒度:在粉体制备的起点,比如氢氧化铝前驱体阶段,就应对其颗粒度进行严格控制。研究表明,若前驱体粒径过大(D50 > 30 μm),烧结后容易形成团聚的蠕虫状颗粒;相反,若粒径控制在更小水平(D50 < 10 μm),则更易得到分散性好的近球形α-Al₂O₃颗粒。
实施表面改性:使用合适的化学试剂对氧化铝颗粒进行表面改性,可以有效抑制团聚。
分散剂:在粉体或浆料制备过程中加入分散剂,利用空间位阻或静电斥力来稳定颗粒。例如,磺酸盐分散剂能与氧化铝表面产生强烈相互作用,实现表面修饰,从而抑制团聚。常见的分散剂还包括聚丙烯酰胺、聚乙二醇、六偏磷酸钠等。在浆料中,调节pH值(例如pH=9.0)并加入适量聚丙烯酸(PAA)分散剂(如粉料质量的0.8wt%),可以显著改善分散效果。
表面活性剂:利用非离子型高分子表面活性剂的空间位阻效应,可以有效阻止颗粒在干燥和煅烧过程中相互靠近,从而减轻硬团聚的形成。
优化前驱体纯化:对粉体进行充分的水洗,以去除吸附在其表面的可溶性杂质(如钠、钾离子)。这些杂质不仅影响纯度,还可能因吸潮而加剧结块,并导致高温烧结时晶粒异常长大。
改进储存条件:为防止粉体在储存和运输中结块,应将氧化铝粉置于阴凉、通风、干燥的环境中,避免阳光直射。理想的环境条件是温度 ≤ 40℃,空气相对湿度 ≤ 80%。
2. 中间解聚:对已发生团聚的粉体进行“破镜重圆”
对于已经发生团聚的粉体,可采用物理或化学方法进行解聚处理,恢复其分散性。
机械解聚法
球磨/研磨:比较常用且高效的方法之一。通过球磨等机械力可将团聚体打散,显著降低粉体的中位粒径(例如可从1.88 μm降至0.90 μm)。
湿法研磨:在液体介质中进行研磨。该方法不仅能有效解聚,还能制备出粒径小、分布窄的高纯粉体,例如中位粒径D50可达到约0.435 μm的水平。湿法研磨时,浆料的固含量、研磨介质和研磨参数都会影响效果。
化学解聚法:当粉体出现“软结块”时,可向其中加入醋酸丁酯等溶剂及助分散树脂,通过高速分散搅拌使其重新分散。

3. 烧结护航:优化烧结过程以控制负面影响
即使生坯中仍有少量团聚,通过优化后续的烧结工艺,仍可大程度地减弱其不良影响。
合理选择烧结助剂:添加特定的烧结助剂,能有效抑制晶粒异常长大,促进致密化。
抑制晶粒生长:烧结助剂(如 MgO, MgAl₂O₄, Y₂O₃, La₂O₃ 等)在烧结过程中能钉扎晶界,有效抑制晶粒的异常长大。例如,通过添加MgO和MgAl₂O₄,可将氧化铝陶瓷的平均晶粒尺寸从41.10 μm有效降低至10.64 μm。
促进致密化:一方面可降低烧结温度。例如,向氧化铝粉体中加入α-Al₂O₃晶种和表面活性剂,能将α相转变温度从约1200℃有效降低至800℃。高能机械研磨也能大幅降低所需的烧结温度。另一方面通过加入某些添加剂(如硝酸铵),在烧结过程中分解产生气体,对团聚的固体起到粉碎作用,提高均匀性。
优化烧结工艺:采用特殊的烧结工艺或先进技术,有助于实现材料的均匀致密化。
控制烧结制度:前驱体的煅烧过程对粉体性能至关重要。此外,通过像“两步煅烧法”这样的特殊制度,可以使得得到的α-氧化铝晶体被碳黑均匀包围,从而有效防止其发生团聚和结块。
引入先进技术:放电等离子烧结(SPS)等技术能在极短时间内实现材料的快速致密化,有效抑制晶粒长大,获得细晶结构。