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De um único pó a componentes estruturais cerâmicos de alumina

2025-06-30


De um único pó a componentes estruturais cerâmicos de alumina: explorando os assistentes invisíveis por trás deles


Componentes cerâmicos de alumina, com suas excelentes propriedades, como alta dureza, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e bom isolamento, são amplamente utilizados nas indústrias eletrônica, médica, aeroespacial e outras. De componentes eletrônicos de precisão a peças mecânicas para ambientes agressivos, os componentes cerâmicos de alumina podem ser encontrados em todos os lugares. No entanto, a simples adição de água ao pó de alumina e sua queima em alta temperatura não permite a produção direta desses componentes cerâmicos de alto desempenho com excelentes propriedades. Por trás disso, os aditivos desempenham um papel crucial.


Alumina Ceramic


A alumina pura tem um ponto de fusão de até 2050°C, e a temperatura de sinterização geralmente precisa estar acima de 1600°C. Isso não só leva a um alto consumo de energia, como também causa facilmente grãos grosseiros e degradação do desempenho. Além disso, a alumina em si é altamente quebradiça, e as cerâmicas sinterizadas diretamente são propensas a trincas, dificultando o atendimento aos requisitos de dispositivos de precisão. As funções dos aditivos são as seguintes:


① redução da temperatura de sinterização (economia de energia e redução de custos);

② melhorando a densidade (reduzindo os poros e aumentando a resistência);

③ otimizar a estrutura do contorno do grão (melhorando a tenacidade e a resistência ao choque térmico);

④ regulação de propriedades elétricas/térmicas (como isolamento e condutividade térmica).


Este artigo apresenta vários aditivos comumente usados:


1. Fluxos: Reduzem a temperatura de sinterização e melhoram a densidade.


A alumina tem um ponto de fusão alto, e a sinterização direta não só consome muita energia, como também impõe requisitos extremamente elevados ao equipamento. O surgimento dos fluxos resolveu efetivamente esse problema. Eles funcionam como um regulador de temperatura, podendo reduzir a temperatura de sinterização da cerâmica de alumina, tornando o processo de sinterização mais eficiente e economizando energia.


(1) O dióxido de titânio (TiO₂) é um dos fundentes comuns. Durante o processo de sinterização, ele pode reagir com a alumina para formar um eutético, reduzindo assim a temperatura na qual a fase líquida aparece. Isso é semelhante ao cozimento, onde a adição de alguns temperos especiais pode fazer com que os ingredientes atinjam o estado ideal de cozimento mais rapidamente.O uso de dióxido de titânio como fundente pode não apenas reduzir a temperatura de sinterização, mas também melhorar a dureza da cerâmica de alumina até certo ponto.Por exemplo, em alguns cortadores de cerâmica de alumina usados ​​em processos de corte, adicionar uma quantidade adequada de dióxido de titânio pode tornar os cortadores mais resistentes ao desgaste, mantendo alta dureza, prolongando assim sua vida útil.


(2) O óxido de ítrio (Y₂O₃) também é um fundente importante.Pode inibir a transformação da fase cristalina da alumina em altas temperaturas, mantendo a estabilidade da estrutura cerâmica.Para produtos cerâmicos de alumina com requisitos extremamente altos de estabilidade térmica, como bases de componentes eletrônicos usados ​​em ambientes de alta temperatura, a adição de óxido de ítrio pode dotar os componentes cerâmicos com boa resistência ao choque térmico, tornando-os menos propensos a rachaduras em ambientes com mudanças rápidas de temperatura.


(3) O óxido de cálcio (CaO) também tem o efeito de reduzir a temperatura de sinterização. Podeformam um eutético com a alumina, reduzindo o consumo de energia e evitando o crescimento excessivo de grãos, o que favorece a obtenção de cerâmicas com estrutura de grãos finos.Cerâmicas com estrutura de grãos finos geralmente apresentam maior resistência e tenacidade. Em algumas peças cerâmicas de alumina que precisam suportar grandes forças externas, como componentes resistentes ao desgaste de equipamentos mecânicos, a adição de óxido de cálcio pode melhorar o desempenho das peças.


2. Agentes de reforço e endurecimento: melhoram a tenacidade à fratura e reduzem a fragilidade.


Embora as cerâmicas de alumina tenham alta dureza, sua tenacidade é relativamente baixa, tornando-as propensas à fratura frágil quando submetidas a impactos externos. O surgimento de agentes de reforço e tenacidade é como aplicar uma camada de "armor" em componentes cerâmicos de alumina, o que pode efetivamente aumentar sua resistência e tenacidade.


  • Carboneto de silício(SiC) é um agente de reforço e tenacidade comumente utilizado. Suas partículas são distribuídas uniformemente na matriz de alumina.Quando o componente cerâmico é submetido a forças externas, as partículas de SiC podem dificultar a propagação de rachaduras.Isso é semelhante à construção de obstáculos em uma estrada: quando uma rachadura encontra essas partículas, ela muda sua direção de propagação, consumindo mais energia e tornando o componente cerâmico menos propenso a fraturas. Em rolamentos de cerâmica de alumina usados ​​em ambientes de alta carga, a adição de carboneto de silício pode melhorar significativamente a capacidade de carga e a vida útil dos rolamentos.


  • Nitreto de boro(BN) também é um membro da família de agentes de reforço e endurecimento.pode melhorar o desempenho de atrito da cerâmica e aumentar sua resistência e tenacidadeEm alguns componentes cerâmicos de alumina que exigem bom desempenho de atrito, como anéis cerâmicos usados ​​para vedação, a adição de nitreto de boro pode reduzir o atrito e o desgaste entre os componentes, melhorar o efeito de vedação e aumentar a resistência dos componentes, tornando-os mais duráveis. No entanto, se a adição exceder 10%, a dureza pode ser reduzida, sendo necessário equilibrar a lubricidade e a resistência.


3. Aditivos Funcionais: Ajustam propriedades elétricas, térmicas ou ópticas


Além de melhorar as propriedades básicas, os aditivos funcionais também podem dotar os componentes cerâmicos de alumina com algumas propriedades exclusivas para atender às necessidades de diferentes campos.


(1)Óxidos de terras raras, como lantânio e cério, são "mágicos" para melhorar as propriedades elétricas. Em alguns componentes cerâmicos de alumina usados ​​na área eletrônica, como substratos cerâmicos para circuitos de alta frequência,a adição de óxidos de terras raras pode ajustar a constante dielétrica e a tangente de perda da cerâmica, melhorando seu desempenho elétrico,torná-los mais adequados para trabalhar em ambientes de alta frequência e expandir seu escopo de aplicação no campo da eletrônica.


(2) Corantessão os "artistas" que adicionam cores aos componentes cerâmicos de alumina.Corantes como óxido de cromo e óxido de cobalto podem reagir com alumina para produzir cerâmicas em cores diferentes.Em alguns produtos cerâmicos com requisitos decorativos, como louças de cerâmica e ornamentos decorativos, a adição de corantes pode tornar os componentes cerâmicos mais bonitos e diversos, atendendo às necessidades estéticas de diferentes consumidores.


4. Aglutinantes e auxiliares de moldagem: melhoram a fluidez do pó e a resistência da moldagem.


No processo de conformação de componentes cerâmicos de alumina, ligantes e auxiliares de moldagem desempenham um papel crucial. Eles são como um grupo de heróis transformando silenciosamente o pó de alumina em peças estruturais de vários formatos.


  • Ligantes orgânicos, como álcool polivinílico (PVA) e poliacrilato, agem como cola, unindo pós de alumina durante a formação do corpo verde para dotar o corpo verde de certa resistênciapara processamento e sinterização subsequentesTomemos como exemplo a fundição em fita: o PVA pode dispersar uniformemente pós de alumina em um solvente para formar uma pasta com viscosidade e fluidez adequadas, que é então fundida em um filme verde através do processo de fundição em fita. Após a secagem do filme verde, ligantes como o PVA mantêm sua forma e estrutura, evitando deformações durante o processamento subsequente.


  • Auxiliares de moldagem incluem lubrificantes, dispersantes, etc. Os lubrificantes podem reduzir o atrito entre o pó e o molde, minimizar o desgaste do molde e garantir a densidade uniforme do corpo verde.Na prensagem a seco, adicionar uma quantidade adequada de lubrificante pode facilitar o enchimento do molde com o pó, melhorando a densidade do corpo verde. Dispersantes,por outro lado, garantir dispersão uniforme do pó na pasta para evitar aglomeração.Na moldagem por injeção, os dispersantes desempenham um papel particularmente importante ao permitir que a pasta tenha boa fluidez, facilitando sua injeção no molde para formar componentes cerâmicos de formatos complexos.


Os aditivos desempenham um papel indispensável no processo de fabricação de componentes cerâmicos de alumina. Eles auxiliam de forma abrangente a produção de componentes cerâmicos de alumina em diversos aspectos, desde a redução da temperatura de sinterização e o aprimoramento do desempenho até a concessão de propriedades e conformabilidade únicas. Com o avanço contínuo da tecnologia, novos tipos de aditivos podem surgir no futuro, trazendo mais possibilidades para a melhoria do desempenho e a expansão das aplicações de componentes cerâmicos de alumina.