Al2O3 - краткий обзор

Оксид алюминия Al2O3 один из самых популярных керамических материалов для технического применения в России и мире. В этой статье мы расскажем о том, как делают изделия из Al2O3, о классических и современных технологии производства, о сферах применения и перспективах использования этого материала.

Керамику, состоящую в основном из оксида алюминия, принято называть корундовой керамикой в соответствии с названием природного минерала корунда, представляющего собой чистый оксид алюминия -Аl203. Т.к. искусственно изготовленная техническая корундовая керамика содержит не только Аl2О3, а в ряде случаев – некоторые введенные добавки и сопутствующие сырью примеси, то условно принято называть корундовой керамикой такую, которая содержит 95% и более Аl203 и основной кристаллической фазой которой является корунд.
В нашей стране корундовую керамику, предназначенную для различных областей техники, называют по-разному: алюмооксид, корундиз, синоксаль, миналунд, стоал 22ХС (ВК-94-1), микролит, М-7, поликор (KB-100-1) и др. Все эти виды корундовой керамики отличаются типом и количеством вводимой добавки, некоторым различием в технологии изготовления, кристаллической структурой и, как следствие, свойствами [3].

Сырье
Технический глинозем – один из основных видов сырья для производства корундовой и других видов высокоглиноземистой керамики. Сырьем для получения глинозема служат главным образом породы, содержащие естественные гидраты оксида алюминия, среди которых наибольшее значение имеет боксит, представляющий собой сочетание всех трех видов гидратов в переменном количестве при преимущественном содержании гидраргиллита и бемита.


Зерна технического глинозема имеют своеобразную структуру. Это не монолитные беспористые кристаллы, а своеобразные скопления мельчайших кристалликов альфа- и гамма- Al2O3 размером менее 0,1 мкм, образующие шарообразную форму, так называемую сферолитную структуру. Такая пористая структура сферолитов (истинная пористость около 50%) оказывает влияние на технологию производства изделий, в первую очередь на помол и спекание. При преобладающем размере сферолитов 40 - 70 мкм технический глинозем содержит более крупные зерна (до 100-120 мкм), а также более мелкие (несколько мкм).
В процессе производства изделий технический глинозем дополнительно обжигают при более высоких температурах для перевода его в альфа-форму. Гранулометрический состав глинозема при этом изменяется. Вследствие происходящей усадки альфа-Al203 и частичного спекания, количество мелких фракций, как правило, растет.

Технология производства
Изделия из оксида алюминия можно изготовлять разнообразными методами. Выбор метода зависит главным образом от формы и размеров изделия, а также от тех свойств, которые необходи¬мо придать изделию. Применение корундовой керамики очень разнообразно, и в каждом отдельном случае стремятся максимально улучшить требуемое свойство. Например, если требуется высокая химическая чистота изделия (тигли для плавки чистых металлов), то стараются избежать введения добавок, способных засорить плавку. В вакуумно-плотную электроизоляционную керамику вводят добавку, которая бы одновременно не снижала диэлектрические свойства, способствовала формированию вакуумно-плотного тела изделия и улучшала способность к спайке с металлом.
Исходя из этих условий последовательность проведения некоторых технологических операций при производстве корундовых изделий и их суть могут различаться.
При массовом выпуске изделий наиболее часто применяют:
1) литье из водных суспензий;
2) литье под давлением из пластифицированного парафином шликера;
3) прессование порошкообразных масс в разных вариантах.
Более подробно про формообразование заготовок вы можете прочитать в нашем блоге в статье
«Методы формирования геометрии для объемной керамики» https://clck.ru/SdtkF.
После формообразования, заготовку спекают. Спекание и рекристаллизация корунда зависят от температуры и длительности обжига; дисперсности корунда; кристаллохимического состояния·. начальной плотности сырца; наличия загрязняющих или специально вводимых примесей; газовой среды при обжиге.
Температура спекания альфа- Al2O3 из оксида технической чистоты (Al2O3-99-99,5%) и дисперсности 1-2 мкм без введения добавок составляет 1700-1750°С. При этой температуре достигается плотность, 3,75-3,85 г/см3. Дальнейшее увеличение температуры до 1800-1850°С воздушной среде и длительная выдержка практически не приводят к дополнительному уплотнению. Пористость спеченного корунда в основном закрытая, внутрикристаллическая, форма пор округлая [1]. Так выглядит классическая технология производства изделий из оксида алюминия.

Современные технологии производства
Современные методы производства в своей работе [2] выделили исследователи из РХТУ им. Менделеева. Наиболее перспективными являются несколько групп керамических материалов, которые позволяют решать важные научные и технические проблемы, связанные с развитием новой техники.
1 группа. Высокоплотные, прочные, износостойкие керамические материалы на основе частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ), оксида алюминия, композиций на основе смеси этих оксидов.
2 группа. Новые плотные керамические материалы из оксида алюминия.
3 группа. Прочные пористые материалы на основе оксида алюминия, циркония, магния, карбида кремния для фильтров и мембран.

Перспективы использования
Область применения Al2O3: огнеупорные изделия, вакуумная техника, конструкционные детали, химически стойкие и электроизоляционные изделия. Помимо техники, керамика на основе оксида алюминия находит применение в хирургии
В РХТУ им. Д. И. Менделеева проведены разработки плотной пористой керамики на основе гидроксиапатита. Получена плотная керамика из чистого гидроксиапатита с нулевой пористостью и прочностью на изгиб до 100 МПа, с использованием которой в ЦНИИСе проведено около 20 операций челюстно-лицевой хирургии. Во всех случаях в послеоперационном периоде не было никаких осложнений, связанных с отторжением имплантата.
Итого, в данной работе мы провели небольшой обзор алюмооксидной керамики. Подробно познакомились с разными наименовании материалов на основании Al2O3, процессом подготовки сырья и получения деталей. Рассмотрели классические и современные методы производства, перспективы применения, на примере хирургических имплантатов.



Источники
1. Балкевич В.Л. Техническая керамика / Балкевич В.Л., 1984.
2. Лукин Е.С., Макаров Н.А. Современная оксидная керамика и области ее применения.
3. Павлушкин Н. М. Спеченный корунд // М.: Стройиздат. 1961.
4. Бёмит. Физические свойства, описание, месторождения и фото. [Электронный ресурс]. URL: https://catalogmineralov.ru/mineral/bohmite.html (дата обращения: 27.12.2020).