I componenti ceramici in allumina, con le loro eccellenti proprietà come elevata durezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e buon isolamento, sono ampiamente utilizzati in elettronica, medicina, aerospaziale e altri settori. Dai componenti elettronici di precisione alle parti meccaniche in ambienti difficili, i componenti ceramici in allumina sono presenti ovunque. Tuttavia, la semplice aggiunta di acqua alla polvere di allumina e la sua cottura ad alta temperatura non possono produrre direttamente questi componenti ceramici ad alte prestazioni con proprietà eccellenti. Dietro a tutto questo, gli additivi svolgono un ruolo cruciale.
L'allumina pura ha un punto di fusione che può raggiungere i 2050 °C e la temperatura di sinterizzazione deve solitamente essere superiore a 1600 °C. Questo non solo comporta un elevato consumo energetico, ma causa anche facilmente grani grossolani e degrado delle prestazioni. Inoltre, l'allumina stessa è altamente fragile e le ceramiche sinterizzate direttamente sono soggette a cricche, rendendo difficile soddisfare i requisiti dei dispositivi di precisione. Le funzioni degli additivi sono le seguenti:
① riduzione della temperatura di sinterizzazione (risparmio energetico e riduzione dei costi);
② miglioramento della densità (riduzione dei pori e aumento della resistenza);
③ ottimizzazione della struttura del bordo del grano (miglioramento della tenacità e della resistenza agli shock termici);
④ regolazione delle proprietà elettriche/termiche (come isolamento e conduttività termica).
In questo articolo vengono presentati alcuni additivi comunemente utilizzati:
1. Flussi: riducono la temperatura di sinterizzazione e migliorano la densità.
L'allumina ha un punto di fusione elevato e la sinterizzazione diretta non solo consuma molta energia, ma impone anche requisiti estremamente elevati alle apparecchiature. L'avvento dei flussi ha risolto efficacemente questo problema. Si tratta di un regolatore di temperatura che può ridurre la temperatura di sinterizzazione delle ceramiche di allumina, rendendo il processo più efficiente e a risparmio energetico.
(1) Il biossido di titanio (TiO₂) è uno dei fondenti più comuni. Durante il processo di sinterizzazione, può reagire con l'allumina per formare un eutettico, riducendo così la temperatura alla quale si forma la fase liquida. Questo processo è simile a quello della cottura, dove l'aggiunta di condimenti speciali può far sì che gli ingredienti raggiungano più rapidamente lo stato di cottura ideale. L'utilizzo del biossido di titanio come fondente può non solo ridurre la temperatura di sinterizzazione, ma anche migliorare in una certa misura la durezza delle ceramiche di allumina. Ad esempio, in alcune frese in ceramica di allumina utilizzate per i processi di taglio, l'aggiunta di una quantità appropriata di biossido di titanio può rendere le frese più resistenti all'usura mantenendo un'elevata durezza, prolungandone così la durata.
(2) Anche l'ossido di ittrio (Y₂O₃) è un importante flusso. Può inibire la trasformazione di fase cristallina dell'allumina ad alte temperature, mantenendo la stabilità della struttura ceramica. Per i prodotti ceramici di allumina con requisiti estremamente elevati di stabilità termica, come le basi dei componenti elettronici utilizzati in ambienti ad alta temperatura, l'aggiunta di ossido di ittrio può conferire ai componenti ceramici una buona resistenza agli shock termici, rendendoli meno inclini alla formazione di crepe in ambienti con rapidi sbalzi di temperatura.
(3) L'ossido di calcio (CaO) ha anche l'effetto di ridurre la temperatura di sinterizzazione. Può formare un eutettico con l'allumina, riducendo il consumo energetico e prevenendo al contempo un'eccessiva crescita dei grani, il che favorisce l'ottenimento di ceramiche con una struttura a grana fine. Le ceramiche con una struttura a grana fine presentano solitamente maggiore resistenza e tenacità. In alcuni componenti in ceramica di allumina che devono resistere a grandi forze esterne, come i componenti resistenti all'usura delle apparecchiature meccaniche, l'aggiunta di ossido di calcio può migliorare le prestazioni dei componenti.
2. Agenti rinforzanti e indurenti: migliorano la tenacità alla frattura e riducono la fragilità.
Sebbene le ceramiche di allumina abbiano un'elevata durezza, la loro tenacità è relativamente scarsa, il che le rende soggette a fratture fragili se sottoposte a impatti esterni. L'introduzione di agenti rinforzanti e tenaci equivale a stendere uno strato di "armor" sui componenti in ceramica di allumina, che può effettivamente migliorarne la resistenza e la tenacità.
Il carburo di silicio (SiC) è un agente rinforzante e tenace comunemente utilizzato. Le sue particelle sono distribuite uniformemente nella matrice di allumina. Quando il componente ceramico è sottoposto a forze esterne, le particelle di SiC possono ostacolare la propagazione delle cricche. Questo è simile alla creazione di ostacoli su una strada: quando una cricca incontra queste particelle, cambia la sua direzione di propagazione, consumando così più energia e rendendo il componente ceramico meno soggetto a fratture. Nei cuscinetti in ceramica di allumina utilizzati in ambienti ad alto carico, l'aggiunta di carburo di silicio può migliorare significativamente la capacità portante e la durata dei cuscinetti.
Anche il nitruro di boro (BN) fa parte della famiglia degli agenti rinforzanti e tenacizzati. Può migliorare le prestazioni di attrito della ceramica e aumentarne la resistenza e la tenacità. In alcuni componenti ceramici in allumina che richiedono buone prestazioni di attrito, come gli anelli ceramici utilizzati per la tenuta, l'aggiunta di nitruro di boro può ridurre l'attrito e l'usura tra i componenti, migliorare l'effetto di tenuta e aumentare la resistenza dei componenti, rendendoli più durevoli. Tuttavia, se la quantità aggiunta supera il 10%, la durezza potrebbe ridursi, quindi è necessario bilanciare lubricità e resistenza.
3. Additivi funzionali: regolano le proprietà elettriche, termiche o ottiche
Oltre a migliorare le proprietà di base, gli additivi funzionali possono anche conferire ai componenti ceramici di allumina alcune proprietà uniche per soddisfare le esigenze di diversi settori.
(1) Gli ossidi di terre rare, come il lantanio e il cerio, sono "magicians" per il miglioramento delle proprietà elettriche. In alcuni componenti ceramici di allumina utilizzati nel campo dell'elettronica, come i substrati ceramici per circuiti ad alta frequenza, l'aggiunta di ossidi di terre rare può regolare la costante dielettrica e la tangente di perdita della ceramica, migliorarne le prestazioni elettriche, renderli più adatti all'uso in ambienti ad alta frequenza ed espanderne il campo di applicazione nel campo dell'elettronica.
(2) I coloranti sono gli artisti che aggiungono colore ai componenti ceramici in allumina. Coloranti come l'ossido di cromo e l'ossido di cobalto possono reagire con l'allumina per produrre ceramiche di diversi colori. In alcuni prodotti ceramici con esigenze decorative, come stoviglie e ornamenti decorativi in ceramica, l'aggiunta di coloranti può rendere i componenti ceramici più belli e diversificati, soddisfacendo le esigenze estetiche di diversi consumatori.
4. Leganti e coadiuvanti di stampaggio: migliorano la fluidità della polvere e la resistenza allo stampaggio.
Nel processo di formatura dei componenti ceramici in allumina, i leganti e gli ausiliari di stampaggio svolgono un ruolo cruciale. Sono come un gruppo di eroi che trasformano silenziosamente la polvere di allumina in componenti strutturali di varie forme.
I leganti organici, come l'alcol polivinilico (PVA) e il poliacrilato, agiscono come collanti, legando insieme le polveri di allumina durante la formatura del corpo verde, conferendogli una certa resistenza per le successive lavorazioni e sinterizzazioni. Prendiamo ad esempio la colata a nastro: il PVA può disperdere uniformemente le polveri di allumina in un solvente per formare una sospensione con viscosità e fluidità appropriate, che viene poi colata in una pellicola verde attraverso il processo di colata a nastro. Dopo l'asciugatura della pellicola verde, i leganti come il PVA ne mantengono la forma e la struttura, prevenendone la deformazione durante le lavorazioni successive.
Gli ausiliari di stampaggio includono lubrificanti, disperdenti, ecc. I lubrificanti possono ridurre l'attrito tra la polvere e lo stampo, minimizzare l'usura dello stampo e garantire una densità uniforme del corpo verde. Nella pressatura a secco, l'aggiunta di una quantità adeguata di lubrificante può facilitare il riempimento dello stampo da parte della polvere, migliorando la densità del corpo verde. I disperdenti, d'altra parte, garantiscono una dispersione uniforme della polvere nell'impasto per evitare agglomerazioni. Nello stampaggio a iniezione, i disperdenti svolgono un ruolo particolarmente importante poiché consentono all'impasto di avere una buona fluidità, facilitandone l'iniezione nello stampo per formare componenti ceramici di forma complessa.
Gli additivi svolgono un ruolo indispensabile nel processo di produzione di componenti ceramici in allumina. Supportano in modo completo la produzione di componenti ceramici in allumina sotto vari aspetti, dalla riduzione della temperatura di sinterizzazione e dal miglioramento delle prestazioni al conferimento di proprietà e forme uniche. Con il continuo progresso tecnologico, in futuro potrebbero emergere nuovi tipi di additivi, offrendo maggiori possibilità di miglioramento delle prestazioni e di espansione delle applicazioni dei componenti ceramici in allumina.
